1.1.3　電化學發電

電化學發電方式通過電化學裝置,將儲存在反應物中的化學能直接轉化為輸出電能。

化學反應與電化學反應的區別:

如圖1.8以簡單的氫氣燃燒反應為例,化學反應過程中氫氣和氧氣直接接觸反應生成水,并釋放熱量,反應過程中氫原子的電子直接遷移到氧原子,H₂O中含2個H+、1個O2-。電化學發電原理可簡述為:如何在分子間反應的電子遷移路徑上直接介入負載做功[1],從而避開燃燒,實現最短的能量轉化路徑和更高的轉化效率?因此,一個典型的電化學能量轉化設備一般需包括三個基本要素(以簡單的氫氧反應為例說明),如圖1.9所示:

① 將氧化物和還原物分隔在兩個不同的空間,避免直接接觸反應;

② 純的離子傳導路徑(電子傳導絕緣防止漏電),用于傳導離子電荷;

③ 電子傳導路徑,用于傳導電子電荷。

圖1.8　氫氣燃燒化學反應與電化學反應的區別

圖1.9　電化學能量轉化設備三要素及其對應的部件組成

對應的電化學能量轉化單元的部件包括電解質(離子導體、電子絕緣體、分割氧化物和還原物)、廣義正極(正極、金屬集流件)、廣義負極(負極、金屬集流件)。其中由于正負極電子電導率并不十分高,因此需要金屬集流件來減少電子電流收集和傳輸過程中的歐姆損失。如圖1.10所示為聚合物蓄電池和柱狀型蓄電池結構組成示意圖。圖1.11所示為典型的平板型固體氧化物燃料電池結構組成示意圖。

圖1.10　(a)聚合物蓄電池結構示意圖;(b)柱狀型蓄電池結構示意圖