燃料电池分类及简述

各种燃料电池简述

1.碱性燃料电池（AFC）

AFC是以碱性溶液为电解质，将存在于燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置，是最早获得应用的燃料电池，由于其电解质必须是碱性溶液，因此而得名碱性燃料电池。氢氧化钠和氢氧化钾溶液，以其成本低，易溶解，腐蚀性低，而成为首选的电解液。催化剂主要用贵金属铂、钯、金、银和过渡金属镍、钴、锰等。在1973年成功地应用于Apollo登月飞船的主电源，使人们看到了燃料电池的诱人前景。具有启动快、效率高、价格低廉的优点，有一定的发展潜力。其反应式为：

阳极：2H2+4OH-→2 H2O +4e-

阴极： 2 H2O +O2→4OH-

总反应：2H2+O2→2H2O

这种电池常用35%-45%的KOH为电解液，渗透于多孔而惰性的基质隔膜材料中，工作温度小于100℃。该种电池的优点是氧在碱液中的电化学反应速度比在酸性液中大，因此有较大的电流密度和输出功率，但氧化剂应为纯氧，电池中贵金属催化剂用量较大，而利用率不高。目前，此类燃料电池技术的发展已非常成熟，并已经在航天飞行及潜艇中成功应用。国内已研制出200W氨-空气的碱性燃料电池系统，制成了1kW、10kW、20kW的碱性燃料电池，20世纪90年代后期在跟踪开发中取得了非常有价值的成果。发展碱性燃料电池的核心技术是要避免二氧化碳对碱性电解液成分的破坏，不论是空气中百万分之几的二氧化碳成分还是烃类的重整气使用时所含有的二氧化碳，都要进行去除处理，这无疑增加了系统的总体造价。此外，电池进行电化学反应生成的水需及时排出,以维持水平衡。因此，简化排水系统和控制系统也是碱性燃料电池发展中需要解决的核心技术。

2.磷酸型燃料电池（PAFC）

PAFC自20世纪60年代在美国开始研究一来，由于操作温度低，耐CO中毒能力强等特点，得到了优先发展，是目前技术成熟、发展最快的燃料电池。

PAFC是一种以磷酸为电解质的燃料电池。采用重整天然气作燃料，空气做氧化剂，浸有浓磷酸的SIC微孔膜做电解质，PT/C做催化剂，工作温度200℃，是目前单机发电量最大的一种燃料电池。关键材料包括电极材料，电解质材料，膈膜材料和双极板材料。结构图如下：

PAFC的结构图

反应式：

阳极：2H2→4 H+ +4e-

阴极：4H+ +O2+4e-→2H2O

总反应：2H2+O2→2H2O

这种电池突出优点是贵金属催化剂用量比碱性氢氧化物燃料电池大大减少，还原剂的纯度要求有较大降低，一氧化碳含量可允许达5%。该类电池一般以有机碳氢化合物为燃料，正负电极用聚四氟乙烯制成的多孔电极，电极上涂Pt作催化剂，电解质为85%的H3PO4。在100℃-200℃范围内性能稳定，导电性强。磷酸电池较其他燃料电池制作成本低，接近供民用的程度。但是其启动时间较长以及余热利用价值低等发展障碍导致其发展速度减缓

目前，PAFC主要用于发电厂，其中分散性发电厂，容量在10-20MW之间，中心电站型发电厂，装机容量可达100MW以上，即使在发电负荷较低时，依然保持高的发电效率。还可用于现场发电，就是把PAFC直接安装在用户附近，同时提供热和电。这被认为是PAFC的最佳应用方案。这种方案的优点是：可根据需要设置装机容量或调整发电负荷，却不会影响装置的发电效率，既使小容量PAFC装置也能达到相当于现代大型热电厂的效率；有效利用电和热，传输损失小。

国际上功率较大的实用燃料电池电力站均用这种燃料的电池。美国将磷酸型燃料电池列为国家级重点科研项目进行研究开发，向全世界出售200kW级的磷酸型燃料电池，日本制造出了世界上最大的(11MW)磷酸型燃料电池。到2002年初，美国已在全世界安装测试了200 kW级PAFC发电装置235套，累计发电470万小时，2001年卖出23套。在美国和日本有几套装置已达到连续发电1万小时的设计目标；欧洲现有5套200kW级PAFC发电装置在运转；日本福日电器和三菱电器已经开发出500 kW级PAFC发电系统。

车用上可以以PAFC作为基本动力电源，配备蓄电池以满足车辆启动和爬坡是峰值用电要求；PAFC可以用作通讯、紧急供电、娱乐等的电源。与通常的柴油发电系相比，PAFC作为军事上的而通讯电源，其诱人之处在于运行时噪音低和热辐射量极少，有利于隐蔽目标。

另外，许多石油化工厂，如炼油厂、氯碱厂、合成氨厂等，经常排放大量富氢气体。在现场安装PAFC装置，就可以把排放气体中的氢转化为电能，或者从中分离出纯氢气体，从而减少资源浪费。

3.固体氧化物燃料电池（SOFC）

SOFC的开发始于20世纪40年代，但是在80年代以后其研究才得到蓬勃发展。早期开发出来的SOFC的工作温度较高，一般在800℃-1000℃。科学家已经研发成功中温SOFC，其工作温度一般在750℃左右。一些科学家也正在努力开发低温SOFC，其工作温度更可以降低至650℃-700℃。工作温度的进一步降低，使得SOFC的实际应用成为可能。

电池中的电解质是复合氧化物，在高温(1000℃以下)时，有很强的离子导电功能。它是由于钙、镱或钇等混入离子价态低于锆离子的价态，使有些氧负离子晶格位空出来而导电。目前世界各国都在研制这类电池，并已有实质性的进展，但SOFC在高温下工作也给其带来一系列材料，密封和结构上的问题，如电极的烧结，电解质与电极之间的界面化学扩散以及热膨胀系数不同的材料之间的匹配和双极板材料的稳定性等。这些也在一定程度上制约着SOFC的发展，成为其技术突破的关键方面。SOFC的结构图和反应式如下：

SOFC的原理图

阳极：H2→2H++2e-

阴极：2H++1/2O2+2e-→H2O

总反应：H2+1/2O2→H2O

目前国际上，从几十瓦的便携式电源系统到千瓦级的家庭热电联供系统，再到数百千瓦级的分布式电源系统，均已有了相对成熟的产品进入市场。产品的功能性和适应性也越来越强，它们的发展已经进入了降低成本、提高产品功能以适应具体环境的新阶段。

有西门子-西屋公司的SOFC发电系统长期稳定的成功经验和目前包括Bloom Energy、HEXIS、Kyocera和CFCL等公司的大量SOFC电堆、系统的演示验证，SOFC 的技术可行性毋庸置疑。现在SOFC发电系统已经入初步量产和成本降低的阶段，有理由相信距离走入千家万户已为时不远。