氫氧燃料電池能量轉(zhuǎn)化

　　燃料電池概述

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　　燃料電池是很有發(fā)展前途的新的動(dòng)力電源，一般以氫氣、碳、甲醇、硼氫化物、煤氣或天然氣為燃料，作為負(fù)極，用空氣中的氧作為正極．和一般電池的主要區(qū)別在于一般電池的活性物質(zhì)是預(yù)先放在電池內(nèi)部的，因而電池容量取決于貯存的活性物質(zhì)的量；而燃料電池的活性物質(zhì)（燃料和氧化劑）是在反應(yīng)的同時(shí)源源不斷地輸入的，因此，這類電池實(shí)際上只是一個(gè)能量轉(zhuǎn)換裝置。這類電池具有轉(zhuǎn)換效率高、容量大、比能量高、功率范圍廣、不用充電等優(yōu)點(diǎn)，但由于成本高，系統(tǒng)比較復(fù)雜，僅限于一些特殊用途，如飛船、潛艇、軍事、電視中轉(zhuǎn)站、燈塔和浮標(biāo)等方面。

　　氫氧燃料電池能量轉(zhuǎn)化

　　反應(yīng)電極是疏松多孔的碳棒化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。氫氣氧氣變成水，化學(xué)能減少，在酸溶液中：

　　負(fù)極反應(yīng)式為：2H?-4e﹣==4H﹢

　　正極反應(yīng)式為：O? + 4H+ +4eˉ= 2H?O;

　　如是在堿溶液中，則不可能有H+出現(xiàn)，

　　在酸溶液中，也不可能出現(xiàn)OHˉ。

　　若電解質(zhì)溶液是堿、鹽溶液則：

　　負(fù)極反應(yīng)式為：2H? + 4OHˉ-4eˉ= 4H?0

　　正極為：O? + 2H?O + 4eˉ= 4OHˉ

　　若電解質(zhì)溶液是酸溶液則：

　　負(fù)極反應(yīng)式為：2H?-4eˉ=4H+（陽離子），

　　正極為：O?+4eˉ+4H+=2H?O

　　氫氧燃料電池能量轉(zhuǎn)換效率

　　太陽能電池所發(fā)的電能，經(jīng)可再生氫-氧燃料電池裝置的蓄電-發(fā)電后要打很大的折扣：①電解水的能量轉(zhuǎn)換效率不到90%；②目前由氫、氧化學(xué)能發(fā)電的能量轉(zhuǎn)換效率只有40%左右（60%為廢熱），所得總轉(zhuǎn)換效率僅35%左右。也就是說，太陽能電池發(fā)的1度電，經(jīng)可再生氫-氧燃料電池裝置蓄能-發(fā)電循環(huán)后，只剩下0.35度電；③與其他蓄電池裝置不同，燃料電池裝置有許多輔助部件，它們?cè)谶\(yùn)行中還得消耗能量，其百分點(diǎn)隨設(shè)計(jì)而異，大約在10至20之間，即向裝置外提供的能量大約只有0.3度電，即實(shí)際可用的能量轉(zhuǎn)換效率大約只有30%。美國(guó)為“Helios”無人飛機(jī)研制的URFC，系統(tǒng)的效率就是31.6%。

　　要特別提醒的是，這里所說的能量轉(zhuǎn)換效率與地面上的實(shí)質(zhì)不完全相同。在地面上，電能來自電網(wǎng)，電網(wǎng)的重量不加考慮；而空間飛行器的電能來自太陽能電池，能量轉(zhuǎn)換效率打三折，意味著用于燃料電池裝置電解水的那一部分太陽能電池的發(fā)電量也打了三折。如果“白天”、“黑夜”各以12小時(shí)計(jì)（實(shí)際上“白天”有效發(fā)電時(shí)間還不到12小時(shí)），則整個(gè)太陽能電池只有1／（1+1/0.3） =23%用于“白天”供電，而用于“黑夜”供電的部分要占77%。可見，燃料電池裝置實(shí)際可用的能量轉(zhuǎn)換效率越低，所需與之配套的太陽能電池在整個(gè)太陽能電池中所占的比例就越大。

　　相比之下，鋰離子電池（ IIB）裝置的充電-放電循環(huán)轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到90%，與之配套的太陽能電池就可大為減少。目前，鋰離子電池的比能量已達(dá)200Wh/kg（鋼殼）或230Wh/kg（軟包裝），低倍率（0.1C）充、放電的安全性也不成問題。

　　一體式可再生氫-氧燃料電池裝置雖然目前比能量還較高，但能量轉(zhuǎn)換效率遠(yuǎn)低于鋰離子電池，而且很難顯著提高。于是就有一個(gè)如何評(píng)價(jià)、比較它們優(yōu)勢(shì)的問題，與之連帶的就有在空間飛行器科研項(xiàng)目中如何安排電源分系統(tǒng)的研制問題。

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