簡述鋁燃料電池鋁電解與燃料電池原理

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，全世界共加工了約13.5億噸原鋁，都是用霍爾-埃羅（Hall-héroult）的冰晶石（Na3AlF6）-氧化鋁（Al2O3）熔鹽電解法加工的。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，但是實行提鋁的主體設備——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）。

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（Aluminiumfuelcell）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。依據美國R.奧海爾（O'Hayre）等在《燃料電池基礎（FuelCellFundamentals）》一書給的定義：燃料電池是一個“工廠”，它將燃料輸送進來，同時將萌生的電輸出，只要原材料（燃料）源源不斷地供應，燃料電池就會不斷地產生產品（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。

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（WilliamGrove）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，它是一種只準許離子（帶電的原子）通行而不準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，分析成質子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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