鋁燃料電池的發(fā)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(chǎn)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(chǎn)的。這種工藝已經(jīng)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(shí)施提鋁的主體設(shè)備——電解槽的結(jié)構(gòu)卻發(fā)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(xué)設(shè)計(jì)院的NEUI600kA，電解槽的結(jié)構(gòu)型式也發(fā)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(zhì)中，在陰極和陽極上起電化學(xué)反應(yīng)。電解產(chǎn)物在陰極上是液態(tài)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(yīng)是：

Al3+(絡(luò)合的)+3e→Al

而陽極反應(yīng)是：602-(絡(luò)合的)+3C-12e→3CO2

總反應(yīng)式為：2Al2O3+3C→4Al+3CO2

在冰晶石-氧化鋁電解質(zhì)中，Al2O3含量通常保持在3%~5%，為了電解質(zhì)性能穩(wěn)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(jù)美國R.奧海爾(O'Hayre)等在《燃料電池基礎(chǔ)(Fuel Cell Fundamentals)》一書給的定義：燃料電池是一個(gè)“工廠”，它將燃料輸送進(jìn)來，同時(shí)將產(chǎn)生的電輸出，只要原材料(燃料)源源不斷地供應(yīng)，燃料電池就會不斷地產(chǎn)出產(chǎn)品(電)。一個(gè)氫燃料電池即氫氧燃料電池燃燒發(fā)電的基本概念如圖3所示。

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

H2→←2H++2e-

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

如果將這兩個(gè)反應(yīng)從空間上分開，那末由氫轉(zhuǎn)換而來的電子在上述反應(yīng)之前通過外電路流出，就可以用于做功，點(diǎn)亮燈泡。此種空間隔離就是電解質(zhì)，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(gè)電極是鉑制的。氫氣由左邊電極進(jìn)入，分解成質(zhì)子H+和電子，質(zhì)子(離子)可通過電解質(zhì)流動，而電子則通過連續(xù)兩個(gè)鉑電極的導(dǎo)線從左向右流行。