1堿性燃料動(dòng)力電池（AFC）

AFC采用35%-45%KOH或NaOH溶液作為電解質(zhì)，工作溫度一般為23-70℃。其催化劑重要用貴金屬鉑、鈀、金、銀和過(guò)渡金屬鎳、鈷、錳等，但催化劑對(duì)反應(yīng)物中含有的微量CO2很敏感。

AFC的特點(diǎn)：較低的價(jià)格和較高的效率（50-55%）。AFC屬于低溫燃料動(dòng)力電池，低溫時(shí)也能保證啟動(dòng)時(shí)間較短，可以用于交通工具。價(jià)格低廉、用途高效、技術(shù)成熟，在交通運(yùn)輸領(lǐng)域，有廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景。盡管AFC的研究已比較成熟，但AFC的電解質(zhì)采使具有腐蝕性的液體，具有一定的危險(xiǎn)性，而且容易造成環(huán)境污染。此外，假如要解決CO2毒化問(wèn)題，使用循環(huán)電解液來(lái)吸收CO2等，就新增了燃料動(dòng)力電池系統(tǒng)的復(fù)雜性。

4.2磷酸燃料動(dòng)力電池（PAFC）

PAFC是迄今唯一接近商品化的電池，其反應(yīng)原理如圖2所示。陽(yáng)極反應(yīng)為：H2→2H++2e-，陰極反應(yīng)為：1/2O2+2H++2e-→H2O。顯然，其全反應(yīng)為電解水的逆過(guò)程：H2+1/2O2→H2O。PAFC工藝的發(fā)展重要是在70年代后期開(kāi)發(fā)出合適的碳黑和石墨電池零部件才取得重大突破。

與堿性氫氧化物燃料動(dòng)力電池相比，PAFC的優(yōu)點(diǎn)在于貴金屬催化劑用量相對(duì)明顯減少，還原劑的純度大大降低，CO含量可允許達(dá)5%；PAFC屬于低溫燃料動(dòng)力電池，低溫下發(fā)電，具有良好的穩(wěn)定性；人們?nèi)粘Ｉ钣盟梢灾苯永糜酂岖@得的水；與高溫燃料動(dòng)力電池相比，啟動(dòng)時(shí)間明顯較短。缺點(diǎn)與AFC相同，必須用貴金屬電作催化劑；CO含量不能過(guò)高，否則電催化劑將會(huì)被毒化，失去催化活性；電解質(zhì)為高濃度磷酸，具有很強(qiáng)的腐蝕性，影響電池系統(tǒng)使用壽命；因僅有40-50%的發(fā)電效率（低熱值），所以燃料要重整改質(zhì)，新增了燃料動(dòng)力電池系統(tǒng)的復(fù)雜性。

4.3質(zhì)子交換膜燃料動(dòng)力電池（PEMFC）

PEMFC一般用于小型發(fā)電裝置和用作車(chē)輛等交通運(yùn)輸工具的動(dòng)力。結(jié)構(gòu)與PAFC差不多，都是由二層作為電極的催化層，中間有一層固態(tài)電解質(zhì)（質(zhì)子交換膜）同時(shí)起隔離層用途和外側(cè)作結(jié)構(gòu)支撐與氣體擴(kuò)散層用的碳紙組成，PEMFC工作原理如圖3。

PEMFC采用多孔氣體擴(kuò)散電極，電解質(zhì)為全氟磺酸型固體聚合物，電催化劑采用純鉑或碳載鉑，氫氣（H2）為燃料，氧氣或空氣為氧化劑。當(dāng)PEMFC工作時(shí)，H2通過(guò)管道或?qū)獍宓竭_(dá)陽(yáng)極，經(jīng)過(guò)陽(yáng)極催化劑催化用途，將H2分解為帶正電的氫離子（H+）并釋放出帶負(fù)電的電子（e-）。H+穿過(guò)電解質(zhì)到達(dá)陰極；電子通過(guò)外電路到達(dá)陰極，在這個(gè)過(guò)程中形成電流，通過(guò)連接電路可以向負(fù)載輸出電能。在電池另一端，O2或空氣通過(guò)管道或?qū)獍宓竭_(dá)陰極，經(jīng)過(guò)陰極催化劑催化用途，氧與氫離子及電子發(fā)生反應(yīng)生成水。

PEMFC的發(fā)展在AFC、MCFC、SOFC之后，但發(fā)展迅速，屬于比能最高、溫度最低、應(yīng)用最廣、啟動(dòng)最快、壽命最長(zhǎng)的第五代燃料動(dòng)力電池。它具有優(yōu)點(diǎn)：（1）效能高。PEMFC不存在燃燒過(guò)程，所以不受卡諾循環(huán)限制，目前該燃料動(dòng)力電池的效率大約是內(nèi)燃機(jī)的兩倍，其理論熱效率可達(dá)85%-90%，；（2）燃料多樣性。PEMFC不但可以純氫為燃料，而且也可以用重整氣為燃料；（3）模塊化。在結(jié)構(gòu)上PEMFC具有模塊化的特點(diǎn)，根據(jù)不同動(dòng)力的需求以搭積木的堆積形式組合安裝；（4）可靠性高。PEMFC電堆采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于安裝、易于維護(hù)；（5）環(huán)境友好。PEMFC用純氫作為燃料時(shí)水是唯一的產(chǎn)物，零排放，無(wú)污染。此外，PEMFC還具有噪聲低，格結(jié)構(gòu)部件均可回收利用等。

4.4熔融碳酸鹽電池（MCFC）

MCFC屬高溫燃料動(dòng)力電池，其工作溫度在600～650℃。作為第二代燃料動(dòng)力電池在近10余年來(lái)獲得了長(zhǎng)足進(jìn)展。MCFC被美國(guó)認(rèn)為是下一世紀(jì)的燃煤電廠(chǎng)的光明未來(lái)。美國(guó)投巨資建造了一座2MW的MCFC廠(chǎng)。日本也在準(zhǔn)備開(kāi)發(fā)1MW的MCFC廠(chǎng)。MCFC的電解質(zhì)采用碳酸鋰和碳酸鉀構(gòu)成的共晶混合物，離子導(dǎo)體是碳酸根。單電池系統(tǒng)由一個(gè)陽(yáng)極、一個(gè)陰極及電解質(zhì)組成。氧和CO2陰極反應(yīng)形成碳酸根，碳酸根通過(guò)熔鹽電解質(zhì)擴(kuò)散到陽(yáng)極，與此同時(shí)碳酸根與氫反應(yīng)將氫氧化，給出電子，進(jìn)入外電路（圖4）。MCFC采用重整產(chǎn)物如氣態(tài)CO和H2的混合物作燃料。電極反應(yīng)是：

陽(yáng)極：H2+CO32-→H2O+CO2+2e-；CO+CO32-→2CO2+2e-(少量)；

遷移反應(yīng)：CO+H2O→H2+CO2；

陰極：1/2O2+CO2+2e-→CO32-；

總反應(yīng)：H2+1/2O2→H2O。

通過(guò)該化學(xué)反應(yīng)方程式可知假如要出現(xiàn)2F的電量，陰極必須消耗1molCO2，而陽(yáng)極則出現(xiàn)1molCO2。因此為保持電解質(zhì)成分不變，要使CO2實(shí)現(xiàn)循環(huán)。

MCFC的優(yōu)點(diǎn)：（1）較高的工作溫度。由于電極反應(yīng)活化能較小，不論是氫的氧化還原，還是氧的還原，都不要高效催化劑，不用使用貴金屬，使成本降低；（2）余熱高。電池排放的余熱溫度高達(dá)400℃，可以回收利用，總效率以可達(dá)90%以上；（3）燃料氣體對(duì)CO含量要求降低，可以直接使用如煤制氣等燃料；（4）可以不用水冷卻，尤其適用于缺水的偏遠(yuǎn)地區(qū)。缺點(diǎn)：（1）將陽(yáng)極出現(xiàn)的CO2重新輸送到陰極，需新增CO2循環(huán)系統(tǒng)，新增了電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性；（2）高溫工作環(huán)境以及強(qiáng)的腐蝕性電解質(zhì)對(duì)電池各種材料的耐腐蝕性要求嚴(yán)格，影響電池壽命；（3）電池邊緣的高溫濕密封技術(shù)難度大，特別是在遭受腐蝕嚴(yán)重的陽(yáng)極區(qū)。

4.5固體氧化物燃料動(dòng)力電池（SOFC）

SOFC是一種全固態(tài)發(fā)電系統(tǒng)，它是以固體氧化物為電解質(zhì)在高溫環(huán)境下（約1000℃）工作，以確保其各部分元件有適當(dāng)?shù)碾x子和電子導(dǎo)電率。其剖面如圖5所示。氧離子(O2-)是陰極與電解質(zhì)的界面電子將電荷轉(zhuǎn)移給氧分子以所出現(xiàn)。氧離子與陽(yáng)極板表面的H2和CO結(jié)合分別出現(xiàn)H2O和CO2，并釋放電子連通電路。各電極反應(yīng)為：陰極：1/2O2+2e-→O2-；陽(yáng)極：H2+O2-→H2O+2e-；電池總反應(yīng)：H2+1/2O2→H2O(CO+1/2O2→CO2)。

持續(xù)向SOFC的陽(yáng)極一側(cè)通入氣體燃料，如氫氣（H2）、甲烷（CH4）、一氧化碳（CO）等，陽(yáng)極表面呈多孔結(jié)構(gòu)并且具有催化用途，利用陽(yáng)極表面吸附燃料氣體，通過(guò)多孔結(jié)構(gòu)擴(kuò)散到陽(yáng)極與電解質(zhì)的界面。向陰極一側(cè)持續(xù)通入氧氣或空氣，陰極板結(jié)構(gòu)與陽(yáng)極相同，利用陰極表面的多孔結(jié)構(gòu)吸附氧，并且通過(guò)催化用途，使得O2得到電子變?yōu)镺2-，在化學(xué)勢(shì)的用途下，氧離子進(jìn)入電解質(zhì)，利用濃度梯度引起擴(kuò)散，最終到達(dá)固體電解質(zhì)與陽(yáng)極的界面，與燃料氣體發(fā)生反應(yīng)，電子利用電壓差通過(guò)外電路回到陰極。