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話說鋁燃料電池:鋁電解與燃料電池原理

2018-03-09 11:12:37 中國有色網 作者:綜合報道   點擊量: 評論 (0)
鋁燃料電池的發電原理是鋁電解原理的逆過程,所以先說說鋁電解原理。鋁電解原理自1988年到2016年,全世界共生產了約13 5億噸原鋁,都是用霍

鋁燃料電池的發電原理是鋁電解原理的逆過程,所以先說說鋁電解原理。

鋁電解原理

自1988年到2016年,全世界共生產了約13.5億噸原鋁,都是用霍爾-埃羅(Hall-héroult)的冰晶石(Na3AlF6)-氧化鋁(Al2O3)熔鹽電解法生產的。這種工藝已經有129年的歷史了,至今其原理沒有變化,工藝也沒有變化,但是實施提鋁的主體設備——電解槽的結構卻發生了很大變化。電耗由1892年霍爾槽的31000kWh/tAl(電流效率80%降到了2016年的12800kWh/tAl(直流電耗,電流效率96%以上),電解槽的容量由最初的幾kA增加到中國東北大學設計院的NEUI600kA,電解槽的結構型式也發生了很大變化(圖1、2)。

鋁電解原理

電解法原理就是將氧化鋁溶解在熔融(950℃~970℃)的冰晶石、氟化鋁等電解質中,在陰極和陽極上起電化學反應。電解產物在陰極上是液態鋁卻約950℃的原鋁(99.5%~99.8%)Al,陽極上是氣體,由(70%~80%)CO2、(20%~30%)SO2、少量氟化物和H2O等組成。所以陰極反應是:

Al3+(絡合的)+3e→Al

而陽極反應是:602-(絡合的)+3C-12e→3CO2

總反應式為:2Al2O3+3C→4Al+3CO2

在冰晶石-氧化鋁電解質中,Al2O3含量通常保持在3%~5%,為了電解質性能穩定,往往還要添加少量鋁、鎂、鈣和鋰的化合物如氟化鋁、氟化鈉、氟化鎂、氟化鈣、氟化鋰等。提取1t原鋁要消耗:1920kg~1940kg氧化鋁、5kg~15kg冰晶石、20kg~30kg氟化鋁、430kg~480kg陽極炭塊。

燃料電池簡介

鋁燃料電池(Aluminium fuel cell)又有把它稱為鋁空氣電池或鋁空電池的,最好稱為鋁燃料電池,鋁是陰極,如果陰極是Mg或鋅則分別稱為鎂、鋅燃料電池,氧是陽極。根據美國R.奧海爾(O'Hayre)等在《燃料電池基礎(Fuel Cell Fundamentals)》一書給的定義:燃料電池是一個“工廠”,它將燃料輸送進來,同時將產生的電輸出,只要原材料(燃料)源源不斷地供應,燃料電池就會不斷地產出產品(電)。一個氫燃料電池即氫氧燃料電池燃燒發電的基本概念如圖3所示。

燃料電池

燃料電池

圖4為一個最簡單的氫-氧燃料電池示意圖,世界上首個燃料池是威廉·格羅夫(William Grove)1839年發明的。在圖所示的燃料電池中,氫的燃燒可分為兩個半電化學反應:

H2→←2H++2e-

1-2O2+2H++2e-=H2O

如果將這兩個反應從空間上分開,那末由氫轉換而來的電子在上述反應之前通過外電路流出,就可以用于做功,點亮燈泡。此種空間隔離就是電解質,它是一種只允許離子(帶電的原子)通行而不允許電子通過的硫酸溶液,兩個電極是鉑制的。氫氣由左邊電極進入,分解成質子H+和電子,質子(離子)可通過電解質流動,而電子則通過連續兩個鉑電極的導線從左向右流行。

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