简述铝燃料电池系统的运转

如前所述，铝燃料电池是以铝的“燃烧”产生电能。这里所说的“燃烧”实际上就是铝溶解于碱性溶液（电解质）中变铝离子（Al→Al+3+3e），放出3个电子（3e），是阳极，电子向阴极“跑”与空气中的氧之间的简单电化学反应放出能量产生电流的过程。我们可以认为燃料电池是一个“工厂”，它将燃料（铝）输送进来，同时将产生的电输出，只要有铝存在就会源源不断地产生电，这是燃料电池与传统电池的根本区别，虽然它们都依赖于电化学原理而工作。铝燃料电池由铝板阳极、空气板阴极和电解液组成。电解液一般为碱性溶液。铝燃料电池工作时还需要催化剂的催化作用，在催化剂的催化作用下发生化学反应而发电的一种化学电源。

对原电池如铝燃料电池来说，铝释放电子，变成离子，铝是阳极，空气为阴极，阳极与阴极接通后，电子从阴极跑向阳极，而对普通的电池来说，有正、负极之分，电流从正极流向负极。铝燃料电池为铝电解的逆过程。

铝燃料电池

铝燃料电池系统的运转，空气从左边进入，过滤清洗后流入铝燃料电池堆（铝空电池堆）阴极，这是第一步，也就是说要准备好足够的阳极铝板和供给氧的空气阴极板，以供给足够的氧；第二步是发生电化学反应，一旦发生电化学反应就会产生电流，电流大小与电化学反应速度息息相关，速度越快，产生的电流越多，为此，我们借助催化剂及精细的反应区域设计来提高反应速度；第三步是离子或电子传输，过程中发生的电化学反应将产生或消耗离子和电子，铝电极产生的离子被另一边空气（氧）电极消耗，电子也一样，为了保持电荷平衡，必须把它们从产生的区域传输到它们消耗的区域，一旦用电线把它们连接起来，电子就会从一个电极流向另一个电极，然而离子的流动就比电子困难得多，因为它比电子大得多，也重不少，必须靠电解质传输，铝燃料电池用的电解质为碱性溶液。第四步，生成物排出，任何一种燃料电池，除了产生电至少还会生成一种反应物，即使最简单的氢-氧燃料电池也会生成水，铝燃料电池会产生Al（OH）3，必须及时从电池中排出，否则就会在电池中随着时间延长而积累，阻碍铝与氧反应，最终电池会“窒息”而死。

铝燃料电池有运转的五要素：阳极、阴极、电解质、催化剂、反应生成物，将于下一文中一一介绍。现在，铝燃料电池已形成一个非常好的闭路循环。

铝燃料电池技术大致可归纳为：是一种直接的电化学能量转换装置，通过电化学反应直接把能量从一种形式（化学能）转换成另一种能形式——电能；铝燃料电池不像一般的电池，不会耗尽，而更像一个“工厂”，只要有燃料供给就会源源不断地产生电；铝燃料电池必须有阴阳两个电极，并被电解质一分为二；铝燃料电池的功率取决于其尺寸，能量取决于它的燃料存储量；电化学系统必须包含两个成对的半反应：氧化反应和还原反应，氧化反应释放电子，还原反应消耗电子；氧化反应发生在阳极铝电极，还原反应发生在阴极电极氧；铝燃料电池中产生的4个主要步骤为：燃料铝和氧这两个反应物输送、电化学反应、离子和电子传导、生成物Al（OH）3排除；用电流-电压曲线评估铝燃料电池性能，它表示在一个给定的电流负载下铝燃料电池的输出电压；由于损耗，实际的铝燃料电池性能总比理想的燃料电池差，主要损耗类型：活化损耗，欧姆（电阻）损耗，浓度损耗。

铝燃料电池与其他电池的性能对比见表1，由表中的数据可见，铝燃料电池的综合性能显着优于其他电池的。

在表1引入的9个定量指标中，最重要的是能量密度和功率密度，现在对它们作一解释，以便加深对铝燃料电池的认识。能量被定义为做功的能力，常用单位为J（焦耳）或Cal（卡路里或卡）；功率被定义为能量消耗或产生的速率，它的典型单位是W（瓦特或瓦），表示每秒钟消耗或产生的能量，1W=1J/s，由此可知，能量=功率×时间。

体积功率密度是指每单位体积（cm3、m3、L）的器件可提供的功率量，其典型单位为W/cm3或kW/m3。质量功率密度或比功率是指每单位质量的器件提供的功率量，其典型单位是W/g或kW/kg。