话说铝燃料电池：铝电解与燃料电池原理

铝燃料电池的发电原理是铝电解原理的逆过程，所以先说说铝电解原理。

铝电解原理

自1988年到2016年，全世界共生产了约13.5亿吨原铝，都是用霍尔-埃罗(Hall-héroult)的冰晶石(Na3AlF6)-氧化铝(Al2O3)熔盐电解法生产的。这种工艺已经有129年的历史了，至今其原理没有变化，工艺也没有变化，但是实施提铝的主体设备——电解槽的结构却发生了很大变化。电耗由1892年霍尔槽的31000kWh/tAl(电流效率80%降到了2016年的12800kWh/tAl(直流电耗，电流效率96%以上)，电解槽的容量由最初的几kA增加到中国东北大学设计院的NEUI600kA，电解槽的结构型式也发生了很大变化(图1、2)。

电解法原理就是将氧化铝溶解在熔融(950℃~970℃)的冰晶石、氟化铝等电解质中，在阴极和阳极上起电化学反应。电解产物在阴极上是液态铝却约950℃的原铝(99.5%~99.8%)Al，阳极上是气体，由(70%~80%)CO2、(20%~30%)SO2、少量氟化物和H2O等组成。所以阴极反应是：

Al3+(络合的)+3e→Al

而阳极反应是：602-(络合的)+3C-12e→3CO2

总反应式为：2Al2O3+3C→4Al+3CO2

在冰晶石-氧化铝电解质中，Al2O3含量通常保持在3%~5%，为了电解质性能稳定，往往还要添加少量铝、镁、钙和锂的化合物如氟化铝、氟化钠、氟化镁、氟化钙、氟化锂等。提取1t原铝要消耗：1920kg~1940kg氧化铝、5kg~15kg冰晶石、20kg~30kg氟化铝、430kg~480kg阳极炭块。

燃料电池简介

铝燃料电池(Aluminium fuel cell)又有把它称为铝空气电池或铝空电池的，最好称为铝燃料电池，铝是阴极，如果阴极是Mg或锌则分别称为镁、锌燃料电池，氧是阳极。根据美国R.奥海尔(O'Hayre)等在《燃料电池基础(Fuel Cell Fundamentals)》一书给的定义：燃料电池是一个“工厂”，它将燃料输送进来，同时将产生的电输出，只要原材料(燃料)源源不断地供应，燃料电池就会不断地产出产品(电)。一个氢燃料电池即氢氧燃料电池燃烧发电的基本概念如图3所示。

图4为一个最简单的氢-氧燃料电池示意图，世界上首个燃料池是威廉·格罗夫(William Grove)1839年发明的。在图所示的燃料电池中，氢的燃烧可分为两个半电化学反应：

H2→←2H++2e-

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

如果将这两个反应从空间上分开，那末由氢转换而来的电子在上述反应之前通过外电路流出，就可以用于做功，点亮灯泡。此种空间隔离就是电解质，它是一种只允许离子(带电的原子)通行而不允许电子通过的硫酸溶液，两个电极是铂制的。氢气由左边电极进入，分解成质子H+和电子，质子(离子)可通过电解质流动，而电子则通过连续两个铂电极的导线从左向右流行。