燃料电池的分类及应用

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2.1碱性燃料电池（AFC）
2.1.1 碱性染料电池简介 碱性燃料电池是该技术发展最快的一种电池，主要为空间 任务，包括航天飞机提供动力和饮用水。 负极反应： O2 + 2 H 2 O + 4e → 4OH − 正极反应： 碱性燃料电池的工作温度大约80℃。因此，它们的启 动也很快，但其电力密度却比质子交换膜燃料电池的密度 低十来倍，在汽车中使用显得相当笨拙。不过，它们是燃 料电池中生产成本最低的一种电池，因此可用于小型的固 定发电装置。 如同质子交换膜燃料电池一样，碱性燃料电池对能污染催 化剂的一氧化碳和其它杂质也非常铭感。此外，其原料不 能含有一氧化碳，因为一氧化碳能与氢氧化钾电解质反应 生成碳酸钾，降低电池的性能。
燃料电池的基本原理
燃料电池的特点 燃料电池的能量转换效率高，不受卡诺效率限制。 清洁、环保。燃料电池不需要锅炉、汽轮机等大型设备、 没有SO x、NO x气体和固体粉尘的排放。 可靠性和操作性良好，噪声低。 所用燃料广泛，占地面积小，建厂具有很大灵活性。
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燃料电池的组成和工作原理 燃料电池的基本组成：阳极、阴极、电解质和 燃料电池的基本组成： 外电路。燃料电池中的电解质有不同的种类。
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2.2质子交换膜燃料电池（PEMFC） 质子交换膜燃料电池（ 质子交换膜燃料电池 ） 2.2．1质子交换膜燃料电池简介 ． 质子交换膜燃料电池简介 质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell，英 文简称PEMFC)是一种燃料电池，在原理上相当于水电解的 “逆”装置。其单电池由阳极、阴极和质子交换膜组成，阳极 为氢燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所，两极都 含有加速电极电化学反应的催化剂，质子交换膜作为电解质。 工作时相当于一直流电源，其阳极即电源负极，阴极为电源正 极。 两电极的反应分别为： 阳极(负极)：2H2-4e=4H+ 阴极(正极)：O2+4e+4H+=2H2O 注意所有的电子e都省略了负号上标。由于质子交换膜只能 传导质子，因此氢质子可直接穿过质子交换膜到达阴极，而电 子只能通过外电路才能到达阴极。当电子通过外电路流向阴极 时就产生了直流电。以阳极为参考时，阴极电位为1.23V。也 即每一单电池的发电电压理论上限为1.23V。接有负载时输出 电压取决于输出电流密度，通常在0.5～1V 之间。将多个单电 池层叠组合就能构成输出电压满足实际负载需要的燃料电池堆 (简称电堆)。 13
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PEMFC的电极常被称 为膜电极组件，它是 指质子交换膜和其两 侧各一片多孔气体扩 散电极（涂有催化剂 的多孔碳布）组成的 阴、阳极和电解质的 复合体。
图10－19 膜电极结构示意图
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电堆由多个单体电池以串联方式层叠组合而成。将双极板与 膜电极三合一组件(MEA)交替叠合，各单体之间嵌入密封件， 经前、后端板压紧后用螺杆紧固拴牢，即构成质子交换膜燃料 电池电堆，如附图所示。叠合压紧时应确保气体主通道对正以 便氢气和氧气能顺利通达每一单电池。电堆工作时，氢气和氧 气分别由进口引入，经电堆气体主通道分配至各单电池的双极 板，经双极板导流均匀分配至电极，通过电极支撑体与催化剂 接触进行电化学反应。 电堆的核心是MEA组件和双极板。MEA是将两张喷涂有Nafion 溶液及Pt催化剂的碳纤维纸电极分别置于经预处理的质子交换 膜两侧，使催化剂靠近质子交换膜，在一定温度和压力下模压 制成。双极板常用石墨板材料制作，具有高密度、高强度，无 穿孔性漏气，在高压强下无变形，导电、导热性能优良，与电 极相容性好等特点。常用石墨双极板厚度约2～3.7mm，经铣 床加工成具有一定形状的导流流体槽及流体通道，其流道设计 和加工工艺与电池性能密切相关。
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2.3 磷酸燃料电池（PAFC） 磷酸燃料电池（ ）
2.3.1 磷酸燃料电池工作原理
磷酸燃料电池（ 磷酸燃料电池（Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC）是以浓磷酸为电解质， ）是以浓磷酸为电解质， 以贵金属催化的气体扩散电极为正、负电极的中温型燃料电池。 以贵金属催化的气体扩散电极为正、负电极的中温型燃料电池。可以在 150～220℃工作。具有电解质稳定、磷酸可浓缩、水蒸气压低和阳极催化 ～ ℃工作。具有电解质稳定、磷酸可浓缩、 剂不易被CO毒化等优点 是一种接近商品化的民用燃料电池。 毒化等优点， 剂不易被 毒化等优点，是一种接近商品化的民用燃料电池。 燃料气体或城市煤气添加水蒸气后送到改质器，把燃料转化成H2、CO和水 燃料气体或城市煤气添加水蒸气后送到改质器，把燃料转化成 、 和水 蒸气的混合物，CO和水进一步在移位反应器中经触媒剂转化成 和CO2。 蒸气的混合物， 和水进一步在移位反应器中经触媒剂转化成H2和 。 和水进一步在移位反应器中经触媒剂转化成 经过如此处理后的燃料气体进入燃料堆的负极(燃料极 ，同时将氧输送到燃 经过如此处理后的燃料气体进入燃料堆的负极 燃料极)， 燃料极 料堆的正极(空气极)进行化学反应，借助触媒剂的作用迅速产生电能和热能。 料堆的正极(空气极)进行化学反应，借助触媒剂的作用迅速产生电能和热能。 空气极 进行化学反应 阳极反应： 阳极反应：H2+2e- →2H+ 阴极反应： 阴极反应：1/2O2+2H+ → H2O+2e总反应： 总反应： 1/2O2 +H2 → H2O
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质子交换类膜存在下述缺点： (1)制作困难、成本高，全氟物质的合成和磺化都 非常困难，而且在成膜过程中的水解、磺化容 易使聚合物变性、降解，使得成膜困难，导致 成本较高； (2)对温度和含水量要求高，Nafion系列膜的最佳 工作温度为70～90℃，超过此温度会使其含水 量急剧降低，导电性迅速下降，阻碍了通过适 当提高工作温度来提高电极反应速度和克服催 化剂中毒的难题； (3)某些碳氢化合物，如甲醇等，渗透率较高，不 适合用作直接甲醇燃料电池(DMFC)的质子交换 膜。
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2 H 2 + 4OH − → 4 H 2 O + 4e
图10－8 碱性燃料电池的结构（自由电解质型）
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2．1．2 AFC的优点是： ． ． 的优点是： 的优点是 ①效率高，因为氧在碱性介质中的还原反应比其 他酸性介质高； ②因为是碱性介质，可以用非铂催化剂； ③ 因工作温度低，碱性介质，所以可以采用镍板 做双极板。 2．1.3 AFC的缺点是： 的缺点是： ． 的缺点是 ①因为电解质为碱性，易与CO2生成K2CO3、 Na2CO3沉淀，严重影响电池性能，所以必须除去 CO2，这给其在常规环境中应用带来很大的困难。 ②电池的水平衡问题很复杂，影响电池的稳定性。
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2.1.4、碱性染料电池的发展现状 、 碱性燃料电池（Alkaline Fuel Cell，碱性燃料电池）是最早开发并获得成功 的燃料电池，早在20世纪60年代就被用于宇宙飞船和登月飞行。碱性燃料电 池采用KOH等碱性溶液为电解质，用H2或NH3、N2H2裂解的H2为燃料，空 气或O2为氧化剂，使用贵金属（如Pt、Ag等）和过渡金属（如Ni等）或者由 它们组成的合金等作为催化剂。碱性燃料电池具有稳定、耐久等优点，具有 较高的电效率（60%～90%），迄今为止，它仍是最适合于太空使用的燃料 电池。 碱性燃料电池分为中温（工作温度约为523K）和低温（工作温度低于373K） 两种。中温碱性燃料电池被用于航天飞行和太空项目上的电源，经过几十年 的使用，被证明为安全可靠的太空电源；低温碱性燃料电池是今后开发重点， 其应用目标是便携式电源和交通工具用动力电源。 碱性燃料电池与其他燃料电池相比，碱性燃料电池系统具有较高的电效率 （60%～90%），可以在室温下快速启动，并迅速达到额定负荷，而且电池 的本体材料选择广泛，电池造价较低。因此，碱性燃料电池作为高效且价格 低廉的成熟技术，若应用于便携式电源和交通工具用动力电源，具有一定的 发展和应用前景。 碱性燃料在实际使用中，往往采用空气作为氧化剂，空气中的CO2会毒害碱 性电解质生成碳酸根离子，对电池的效率和使用寿命造成影响，使得碱性燃 料电池系统需要复杂的CO2脱除装置，而且只能用纯H2为燃料；此外，碱性 燃料电池的催化剂一般采用贵金属Pt才能获取电池的高性能，且需要一个控 制体系保持电解质浓度的恒定。这些造成碱性燃料电池系统的复杂化，成本 增高，导致其不适于民用、与其他燃料电池相比竞争力降低。
图10－3 燃料电池的基本单元
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燃料电池的工作原理（以氢氧磷酸型电池为例）
（1）氢气在阳极催化剂的作用下，发生下列阳极反应：
H 2 → 2 H + + 2e
（2）氢离子穿过电解质到达阴极。电子则通过外电路及负 载也达到阴极。在阴极催化剂的作用下，生成水反应式为：
1 2 H + + 2e + O 2 → H 2 O 2
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20世纪90年代以来，众多汽车生产商都在研究使 用低温燃料电池作为汽车动力的可行性。由于低温碱 性燃料电池存在易受CO2毒化等缺陷，使其在汽车上 的应用受到限制，因此，除少数机构还在研究碱性燃 料电池外，大多数汽车厂商和研究机构都在质子交换 膜燃料电池（PEMFC）和直接甲醇燃料电池（DMFC） 上寻求突破。然而PEMFC和DMFC都以贵金属Pt为主 催化剂，一旦PEMFC和DMFC达到真正的批量生产阶 段，将被迫面临Pt的匮乏。碱性燃料电池可以不采用 贵金属作催化剂，如果采用CO2过滤器或碱液循环等 手段去除CO2，克服其致命弱点后，用于汽车的碱性 燃料电池将具有现实意义。因此，碱性燃料电池领域 近年的研究重点是CO2毒化解决方法和替代贵金属的度、所用燃 料的种类和电解质类型进行分类。按照工作温 度，燃料电池可分为高、中、低温型三类。按 燃料来源，燃料电池可分为直接式燃料电池(如 直接甲醇燃料电池)，间接式燃料电池(如甲醇 通过重整器产生氢气，然后以氢气为燃料电池 的燃料)和再生类型进行分类。依据电解质的不 同，可将燃料电池分为碱性燃料电池（AFC）、 磷酸型燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电 池（MCFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC） 及质子交换膜燃料电池（PEMFC）等。