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燃料電池的種類

鉅大LARGE  |  點擊量：1827次  |  2019年08月11日  

燃料電池的種類


燃料電池通過氧與氫結合成水的簡單電化學反應而發(fā)電。它的種類可以多種多樣，但都基于一個基本的設計，即它們都含有二個電極，一個負陽極和一個正陰極。這二個電極被一個位于這它們之間的、攜帶有充電電荷的固態(tài)或液態(tài)電解質分開。在電極上，催化劑，例如白金，常用來加速電化學反應。

燃料電池依據(jù)其電解質的性質而分為不同的類型，每類燃料電池需要特殊的材料和燃料，且使用于其特殊的應用。本文后面的部分將以質子交換膜燃料電池為例介紹燃料電池概念的科學技術發(fā)展，同時也討論一些其它主要設計的特點和應用。


質子交換膜燃料電池（pEMFC）


該技術是GeneralElectric公司在20世紀50年代發(fā)明的，被NASA用來為其Gemini空間項目提供動力。目前這種燃料電池是汽車公司最喜歡使用的一類燃料電池，用來取代原來使用的內燃機。質子交換膜燃料電池有時也叫聚合物電解質膜，或固態(tài)聚合物電解質膜，或聚合物電解質膜燃料電池。

下圖顯示了質子交換膜燃料電池的基本設計。



在質子交換膜燃料電池中，電解質是一片薄的聚合物膜，例如聚[全氟磺]酸（poly[perfluorosulphonic]acid），和質子能夠滲透但不導電的NafionTM，而電極基本由碳組成。氫流入燃料電池到達陽極，裂解成氫離子（質子）和電子。氫離子通過電解質滲透到陰極，而電子通過外部網路流動，提供電力。以空氣形式存在的氧供應到陰極，與電子和氫離子結合形成水。在電極上的這些反應如下：


陽極：2H2→4H++4e-

陰極：O2+4H++4e-→2H2O

整體：2H2+O2→2H2O+能量


質子交換膜燃料電池的工作溫度約為80℃。在這樣的低溫下，電化學反應能正常地緩慢進行，通常用每個電極上的一層薄的白金進行催化。

這種電極/電解質裝置通常稱做膜電極裝配（MEA），將其夾在二個場流板中間便能構成燃料電池。這二個板上都有溝槽，將燃料引導到電極上，也能通過膜電極裝配導電。每個電池能產生約0.7伏的電，足夠供一個照明燈泡使用。驅動一輛汽車則需要約300伏的電力。為了得到更高的電壓，將多個單個的電池串聯(lián)起來便可形成人們稱做的燃料電池存儲器。

質子交換膜燃料電池擁有許多特點，因此成為汽車和家庭應用的理想能源，它可代替充電電池。它能在較低的溫度下工作，因此能在嚴寒條件下迅速啟動。其電力密度較高，因此其體積相對較小。此外，這種電池的工作效率很高，能獲得40-50%的最高理論電壓，而且能快速地根據(jù)用電的需求而改變其輸出。

目前，能產生50kW電力的示范裝置業(yè)已在使用，能產生高達250kW的裝置也正在開發(fā)。當然，要想使該技術得到廣泛應用，仍然還有一系列的問題尚待解決。其中最主要的問題是制造成本，因為膜材料和催化劑均十分昂貴。不過人們進行的研究正在不斷地降低成本，一旦能夠大規(guī)模生產，比價的經濟效益將會充分顯示出來。

另一個大問題是這種電池需要純凈的氫方能工作，因為它們極易受到一氧化碳和其它雜質的污染。這主要是因為它們在低溫條件下工作時，必需使用高銘感的催化劑。當它們與能在較高溫度下工作的膜一起工作時，必須產生更易耐受的催化劑系統(tǒng)才能工作。


堿性燃料電池（AFC）


堿性燃料電池是該技術發(fā)展最快的一種電池，主要為空間任務，包括航天飛機提供動力和飲用水。

堿性燃料電池的設計基本與質子交換膜燃料電池的設計相似，但其使用的電解質為水溶液或穩(wěn)定的氫氧化鉀基質，且電化學反應也與羥基（OH）從陰極移動到陽極與氫反應生成水和電子略有不同。這些電子是用來為外部電路提供能量，然后才回到陰極與氧和水反應生成更多的羥基離子。


陽極反應：2H2+4OH-→4H2O+4e-

陰極反應：O2+2H2O+4e-→4OH-


堿性燃料電池的工作溫度與質子交換膜燃料電池的工作溫度相似，大約80℃。因此，它們的啟動也很快，但其電力密度卻比質子交換膜燃料電池的密度低十來倍，在汽車中使用顯得相當笨拙。不過，它們是燃料電池中生產成本最低的一種電池，因此可用于小型的固定發(fā)電裝置。如同質子交換膜燃料電池一樣，堿性燃料電池對能污染催化劑的一氧化碳和其它雜質也非常銘感。此外，其原料不能含有一氧化碳，因為一氧化碳能與氫氧化鉀電解質反應生成碳酸鉀，降低電池的性能。


磷酸燃料電池（pAFC）


磷酸燃料電池是當前商業(yè)化發(fā)展得最快的一種燃料電池。正如其名字所示，這種電池使用液體磷酸為電解質，通常位于碳化硅基質中。磷酸燃料電池的工作溫度要比質子交換膜燃料電池和堿性燃料電池的工作溫度略高，位于150-200℃左右，但仍需電極上的白金催化劑來加速反應。其陽極和陰極上的反應與質子交換膜燃料電池相同，但由于其工作溫度較高，所以其陰極上的反應速度要比質子交換膜燃料電池的陰極的速度快。

較高的工作溫度也使其對雜質的耐受性較強，當其反應物中含有1-2%的一氧化碳和百萬分之幾的硫時，磷酸燃料電池照樣可以工作。

磷酸燃料電池的效率比其它燃料電池低，約為40%，其加熱的時間也比質子交換膜燃料電池長。雖然磷酸燃料電池具有上述缺點，它們也擁有許多優(yōu)點，例如構造簡單，穩(wěn)定，電解質揮發(fā)度低等。磷酸燃料電池可用作公共汽車的動力，而且有許多這樣的系統(tǒng)正在運行，不過這種電池是乎將來也不會用于私人車輛。在過去的20多年中，大量的研究使得磷酸燃料電池能成功地用語固定的應用，已有許多發(fā)電能力為0.2–20MW的工作裝置被安裝在世界各地，為醫(yī)院，學校和小型電站提供動力。


溶化的碳酸鹽燃料電池(MCFC)


溶化的碳酸鹽燃料電池與上述討論的燃料電池差異較大，這種電池不是使用溶化的鋰鉀碳酸鹽就是使用鋰鈉碳酸鹽作為電解質。當溫度加熱到650℃時，這種鹽就會溶化，產生碳酸根離子，從陰極流向陽極，與氫結合生成水，二氧化碳和電子。電子然后通過外部回路返回到陰極，在這過程中發(fā)電。


陽極反應：CO32-+H2→H2O+CO2+2e-

陰極反應：CO2+1/2O2+2e-→CO32-


這種電池工作的高溫能在內部重整諸如天然氣和石油的碳氫化合物，在燃料電池結構內生成氫。在這樣高的溫度下，盡管硫仍然是一個問題，而一氧化碳污染卻不是問題了，且白金催化劑可用廉價的一類鎳金屬代替，其產生的多余熱量還可被聯(lián)合熱電廠利用。這種燃料電池的效率最高可達60%。如果其浪費的熱量能夠加以利用，其潛在的效率可高達80%。

不過，高溫也會帶來一些問題。這種電池需要較長的時間方能達到工作溫度，因此不能用于交通運輸，其電解質的溫度和腐蝕特性表明它們用于家庭發(fā)電不太安全。但是，其較高的發(fā)電效率對于大規(guī)模的工業(yè)加工和發(fā)電氣輪機則具有較大的吸引力。目前的示范電池可產生高達2MW的電力，50-100MW容量的電力設計業(yè)已提到議事日程。


固態(tài)氧化物燃料電池（SOFC）


固態(tài)氧化物燃料電池工作溫度比溶化的碳酸鹽燃料電池的溫度還要高，它們使用諸如用氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯等固態(tài)陶瓷電解質，而不用使用液體電解質。其工作溫度位于800-1000℃之間。

在這種燃料電池中，當氧陽向離子從陰極移動到陽極氧化燃料氣體（主要是氫和一氧化碳的混合物）使便產生能量。陽極生成的電子通過外部電路移動返回到陰極上，減少進入的氧，從而完成循環(huán)。


陽極反應：H2+O2-→H2O+2e-

CO+O2-→CO2+2e-

陰極反應:O2+4e-→2O2-


對于溶化的碳酸鹽燃料電池而言，高溫意即這種電池能抵御一氧化碳的污染，正如上式顯示的那樣，一氧化碳會隨時氧化成二氧化碳。這便省卻了外部重整從燃料中提取氫，而且這種電池還可以再直接使用石油或天然氣。固態(tài)氧化物燃料電池對目前所有燃料電池都有的硫污染具有最大的耐受性。由于它們使用固態(tài)的電解質，這種電池比溶化的碳酸鹽燃料電池更穩(wěn)定，然而它們用來承受所產生的高溫的建造材料卻要昂貴得多。

固態(tài)氧化物燃料電池的效率約為60%左右，可供工業(yè)界用來發(fā)電和取暖，同時也具有為車輛提供備用動力的潛力。


直接甲醇燃料電池（DMFC）


直接甲醇燃料電池是質子交換膜燃料電池的一種變種，它直接使用甲醇而勿需預先重整。甲醇在陽極轉換成二氧化碳和氫，如同標準的質子交換膜燃料電池一樣，氫然后再與氧反應。


陽極反應：CH3OH+H2O→CO2+6H++6e-

陰極反應：3/2O2+6H++6e-→3H2O

電池反應：CH3OH+3/2O2→CO2+2H2O


這種電池的期望工作溫度為120℃，比標準的質子交換膜燃料電池略高，其效率大約是40%左右。其缺點是當甲醇低溫轉換為氫和二氧化碳時要比常規(guī)的質子交換膜燃料電池需要更多的白金催化劑。不過，這種增加的成本可以因方便地使用液體燃料和勿需進行重整便能工作而相形見拙。直接甲醇燃料電池使用的技術仍處于其發(fā)展的早期，但已成功地顯示出可以用作移動電話和膝上型電腦的電源，將來還具有為指定的終端用戶使用的潛力。


再生型燃料電池（RFC）


再生型燃料電池的概念相對較新，但全球有許多研究小組正在從事這方面的工作。這一技術與普通燃料電池的相同之處在于它也用氫和氧來生成電、熱和水。其不同的地方是它還進行逆反映，也就是電解。燃料電池中生成的水再送回到以太陽能為動力的電解池中，在那兒分解成氫和氧組分，然后這種組分再送回到燃料電池。這種方法就構成了一個封閉的系統(tǒng)，不需要外部生成氫。目前，商業(yè)化開發(fā)業(yè)已走了一段路程，但仍有許多問題尚待解決，例如成本，進一步改進太陽能利用的穩(wěn)定性等問題。


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