燃料电池与其他电池的定义和工作原理

一、燃料电池

1、定义

燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置，又称电化学发电器。

2、工作原理

燃料电池其原理是一种电化学装置，其组成与一般电池相同。其单体电池是由正负两个电极(负极即燃料电极和正极即氧化剂电极)以及电解质组成。不同的是一般电池的活性物质贮存在电池内部，因此，限制了电池容量。而燃料电池的正、负极本身不包含活性物质，只是个催化转换元件。因此燃料电池是名符其实的把化学能转化为电能的能量转换机器。电池工作时，燃料和氧化剂由外部供给，进行反应。原则上只要反应物不断输入，反应产物不断排除，燃料电池就能连续地发电。

以氢-氧燃料电池为例来说明燃料电池：

氢-氧燃料电池反应原理这个反应是电解水的逆过程。电极应为： 负极：H2 +2OH-→2H2O +2e-

正极：1/2O2+H2O+2e-→2OH-

电池反应：H2+1/2O2==H2O

另外，只有燃料电池本体还不能工作，必须有一套相应的辅助系统，包括反应剂供给系统、排热系统、排水系统、电性能控制系统及安全装置等。

优点：发电效率高、环境污染小、比能量高、噪音低、燃料范围广、可靠性高、易于建设

3、分类

（1）SOFC

固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种直接将燃料气和氧化气中的化学能转换成电能的全固态能量转换装置,具有一般燃料电池的结构。固体氧化物燃料电池以致密的固体氧化物作电解质,在高温800～ 1 000℃下操作,反应气体不直接接触 [8]  ,因此可以使用较高的压力以缩小反应器的体积而没有燃烧或爆炸的危险。

（2）RFC

氢燃料电池以氢气为燃料,与氧气经电化学反应后透过质子交换膜产生电能。氢和氧反应生成水,不排放碳化氢、一氧化碳、氮化物和二氧化碳等污染物,无污染,发电效益高。

（3）DMFC

直接以甲醇为燃料的质子交换膜燃料电池通常称为直接甲醇燃料电池(DMFC)。

直接甲醇燃料电池无须中间转化装置,因而系统结构简单,体积能量密度高,还具有起动时间短、负载响应特性佳、运行可靠性高,在较大的温度范围内都能正常工作,燃料补充方便等优点。

二、镍氢电池

1、定义和原理

镍氢电池是一种性能良好的蓄电池。镍氢电池正极活性物质为Ni（OH）2（称NiO电极），负极活性物质为金属氢化物，也称储氢合金（电极称储氢电极），电解液为6mol/L氢氧化钾溶液。充放电化学反应如下 ：

正极：Ni（OH）2+OH-=NiOOH+H2O+e-

负极：M+H2O+e-=MHab+OH-

总反应：Ni（OH）2+M=NiOOH+MH

2、分类

镍氢电池分为高压镍氢电池和低压镍氢电池。

低压镍氢电池具有以下特点：

（1）电池电压为1.2~1.3V，与镉镍电池相当；

（2）能量密度高，是镉镍电池的1.5倍以上；

（3）可快速充放电，低温性能良好；

（4）可密封，耐过充放电能力强；

（5）无树枝状晶体生成，可防止电池内短路；

（6）安全可靠对环境无污染，无记忆效应等。

高压镍氢电池具有如下特点：

（1）可靠性强。具有较好的过放电、过充电保护，可耐较高的充放电率并且无枝晶形成。具有良好的比特性。其质量比容量为60A·h/kg，是镉镍电池的5倍。

（2）循环寿命长，可达数千次之多。

（3）全密封，维护少。

（4）低温性能优良，在-10℃时，容量没有明显改变。

三、锂电池

1、定义

“锂电池”，是一类由锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。大致可分为两类：锂金属电池和锂离子电池。

2、工作原理

（1）锂金属电池：

锂金属电池一般是使用二氧化锰为正极材料、金属锂或其合金金属为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。

放电反应：Li+MnO2=LiMnO2

（2）锂离子电池：

锂离子电池一般是使用锂合金金属氧化物为正极材料、石墨为负极材料、使用非水电解质的电池。

正极材料：可选的正极材料很多，主流产品多采用锂铁磷酸盐。

正极反应：放电时锂离子嵌入，充电时锂离子脱嵌。 

充电时：LiFePO4 → Li1-xFePO4 + xLi+ + xe-

放电时：Li1-xFePO4 + xLi+ + xe- → LiFePO4。

负极材料：多采用石墨。

负极反应：放电时锂离子脱嵌，充电时锂离子嵌入。

充电时：xLi+ + xe- + 6C → LixC6

放电时：LixC6 → xLi+ + xe- + 6C

燃料电池其实是一个工程上的定义，目前国标对燃料电池的定义是“将外部供应的燃料和氧化剂中的化学能通过电化学反应直接转化为电能、热能和其他反应产物的发电装置”，可见燃料电池的重要特征是燃料和氧化剂由装置外部供应，只要供应不断就可以连续不断的发电，在工作模式上更类似于发动机。

现在市面上的镍氢电池虽然使用的是氢气，但是氢气储存在电池内部，用完了就得充电，所以并不符合燃料电池的范畴。

如果还是用镍和氢，电化学反应原理并不改变，但将电池结构改变为由外部供应氢气，那就是燃料电池了。