【正文】 燃料電池的分類及發(fā)展12燃料電池的基本原理 u 燃料電池的特點(diǎn)n 燃料電池的能量轉(zhuǎn)換效率高，不受卡諾效率限制。 n 清潔、環(huán)保。燃料電池不需要鍋爐、汽輪機(jī)等大型設(shè)備、沒(méi)有 SO x、 NO x氣體和固體粉塵的排放。 n 可靠性和操作性良好，噪聲低。 n 所用燃料廣泛，占地面積小，建廠具有很大靈活性。 3燃料電池的組成和工作原理 167。 燃料電池的基本組成： 陽(yáng)極、陰極、電解質(zhì)和外電路。燃料電池中的電解質(zhì)有不同的種類。 圖 10－ 3 燃料電池的基本單元 4燃料電池的工作原理（以氫氧磷酸型電池為例）（ 1）氫氣在陽(yáng)極催化劑的作用下，發(fā)生下列陽(yáng)極反應(yīng)：（ 2）氫離子穿過(guò)電解質(zhì)到達(dá)陰極。電子則通過(guò)外電路及負(fù)載也達(dá)到陰極。在陰極催化劑的作用下，生成水反應(yīng)式為：（ 3）綜合起來(lái)，氫氧燃料電池中總的電池反應(yīng)為：伴隨著電池反應(yīng)，電池向外輸出電能。只要保持氫氣和氧氣的供給，該燃料電池就會(huì)連續(xù)不斷地產(chǎn)生電能。5燃料電池中的催化作用 n 燃料電池中的電催化作用是用來(lái)加速燃料電池化學(xué)反應(yīng)中電荷轉(zhuǎn)移的一種作用，一般發(fā)生在電極與電解質(zhì)的分界面上。 n 催化劑是一類可產(chǎn)生電催化作用的物質(zhì)。電催化劑可以分別用于催化陽(yáng)極和陰極反應(yīng)。這種分離的催化特征，使得人們可以更好地優(yōu)選不同的催化劑。 *評(píng)價(jià)催化劑的主要技術(shù)指標(biāo)為穩(wěn)定性、電催化活性、電導(dǎo)率和經(jīng)濟(jì)性。6燃料電池的分類一、燃料電池的分類按燃料電池的運(yùn)行機(jī)理分。分為酸性燃料電池和堿性燃料電池 2.按電解質(zhì)的種類不同，有酸性、堿性、熔融鹽類或固體電解質(zhì) （ AFC）、（ PEMFC）（ PAFC）、 (MCFC)、（ SOFC）、3.按燃料類型分。 7 燃料電池可依據(jù)其工作溫度、所用燃料的種類和電解質(zhì)類型進(jìn)行分類。按照工作溫度，燃料電池可分為高、中、低溫型三類。按燃料來(lái)源，燃料電池可分為直接式燃料電池 (如直接甲醇燃料電池 )，間接式燃料電池 (如甲醇通過(guò)重整器產(chǎn)生氫氣，然后以氫氣為燃料電池的燃料 )和再生類型進(jìn)行分類。 依據(jù)電解質(zhì)的不同，可將燃料電池分為堿性燃料電池（ AFC）、磷酸型燃料電池（ PAFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）、固體氧化物燃料電池（ SOFC）及質(zhì)子交換膜燃料電池（ PEMFC）等。89（ AFC）堿性染料電池簡(jiǎn)介167。 堿性燃料電池是該技術(shù)發(fā)展最快的一種電池，主要為空間任務(wù)，包括航天飛機(jī)提供動(dòng)力和飲用水。 167。 　　167。 　　負(fù)極反應(yīng)：167。 　　正極反應(yīng)：167。 　　堿性燃料電池的工作溫度大約 80℃ 。因此，它們的啟動(dòng)也很快，但其電力密度卻比質(zhì)子交換膜燃料電池的密度低十來(lái)倍，在汽車中使用顯得相當(dāng)笨拙。不過(guò)，它們是燃料電池中生產(chǎn)成本最低的一種電池，因此可用于小型的固定發(fā)電裝置。 167。 如同質(zhì)子交換膜燃料電池一樣，堿性燃料電池對(duì)能污染催化劑的一氧化碳和其它雜質(zhì)也非常銘感。此外，其原料不能含有一氧化碳，因?yàn)橐谎趸寄芘c氫氧化鉀電解質(zhì)反應(yīng)生成碳酸鉀，降低電池的性能。10圖 10－ 8 堿性燃料電池的結(jié)構(gòu)（自由電解質(zhì)型） 112． 1． 2AFC的優(yōu)點(diǎn)是：167。 ① 效率高，因?yàn)檠踉趬A性介質(zhì)中的還原反應(yīng)比其他酸性介質(zhì)高；167。 ② 因?yàn)槭菈A性介質(zhì)，可以用非鉑催化劑；167。 ③ 因工作溫度低，堿性介質(zhì)，所以可以采用鎳板做雙極板。2． AFC的缺點(diǎn)是：167。 ① 因?yàn)殡娊赓|(zhì)為堿性，易與 CO2生成 K2CONa2CO3沉淀，嚴(yán)重影響電池性能，所以必須除去CO2，這給其在常規(guī)環(huán)境中應(yīng)用帶來(lái)很大的困難。167。 ② 電池的水平衡問(wèn)題很復(fù)雜，影響電池的穩(wěn)定性。12167。 、堿性染料電池的發(fā)展現(xiàn)狀167。 堿性燃料電池（ AlkalineFuelCell，堿性燃料電池）是最早開(kāi)發(fā)并獲得成功的燃料電池，早在 20世紀(jì) 60年代就被用于宇宙飛船和登月飛行。堿性燃料電池采用 KOH等堿性溶液為電解質(zhì)，用 H2或 NH N2H2裂解的 H2為燃料，空氣或 O2為氧化劑，使用貴金屬（如 Pt、 Ag等）和過(guò)渡金屬（如 Ni等）或者由它們組成的合金等作為催化劑。堿性燃料電池具有穩(wěn)定、耐久等優(yōu)點(diǎn)，具有較高的電效率（ 60%～ 90%），迄今為止，它仍是最適合于太空使用的燃料電池。167。 堿性燃料電池分為中溫（工作溫度約為 523K）和低溫（工作溫度低于 373K）兩種。中溫堿性燃料電池被用于航天飛行和太空項(xiàng)目上的電源，經(jīng)過(guò)幾十年的使用，被證明為安全可靠的太空電源；低溫堿性燃料電池是今后開(kāi)發(fā)重點(diǎn)，其應(yīng)用目標(biāo)是便攜式電源和交通工具用動(dòng)力電源。167。 堿性燃料電池與其他燃料電池相比，堿性燃料電池系統(tǒng)具有較高的電效率（60%～ 90%），可以在室溫下快速啟動(dòng)，并迅速達(dá)到額定負(fù)荷，而且電池的本體材料選擇廣泛，電池造價(jià)較低。因此，堿性燃料電池作為高效且價(jià)格低廉的成熟技術(shù)，若應(yīng)用于便攜式電源和交通工具用動(dòng)力電源，具有一定的發(fā)展和應(yīng)用前景。167。 堿性燃料在實(shí)際使用中，往往采用空氣作為氧化劑，空氣中的 CO2會(huì)毒害堿性電解質(zhì)生成碳酸根離子，對(duì)電池的效率和使用壽命造成影響，使得堿性燃料電池系統(tǒng)需要復(fù)雜的 CO2脫除裝置，而且只能用純 H2為燃料；此外，堿性燃料電池的催化劑一般采用貴金屬 Pt才能獲取電池的高性能，且需要一個(gè)控制體系保持電解質(zhì)濃度的恒定。這些造成堿性燃料電池系統(tǒng)的復(fù)雜化，成本增高，導(dǎo)致其不適于民用、與其他燃料電池相比競(jìng)爭(zhēng)力降低。13167。 　　 20世紀(jì) 90年代以來(lái)，眾多汽車生產(chǎn)商都在研究使用低溫燃料電池作為汽車動(dòng)力的可行性。由于低溫堿性燃料電池存在易受 CO2毒化等缺陷，使其在汽車上的應(yīng)用受到限制，因此，除少數(shù)機(jī)構(gòu)還在研究堿性燃料電池外，大多數(shù)汽車廠商和研究機(jī)構(gòu)都在質(zhì)子交換膜燃料電池（ PEMFC）和直接甲醇燃料電池（ DMFC）上尋求突破。然而 PEMFC和 DMFC都以貴金屬 Pt為主催化劑，一旦 PEMFC和 DMFC達(dá)到真正的批量生產(chǎn)階段，將被迫面臨 Pt的匱乏。堿性燃料電池可以不采用貴金屬作催化劑，如果采用 CO2過(guò)濾器或堿液循環(huán)等手段去除 CO2，克服其致命弱點(diǎn)后，用于汽車的堿性燃料電池將具有現(xiàn)實(shí)意義。因此，堿性燃料電池領(lǐng)域近年的研究重點(diǎn)是 CO2毒化解決方法和替代貴金屬的催化劑。14（ PEMFC） 167。 ． 1質(zhì)子交換膜燃料電池簡(jiǎn)介167。 質(zhì)子交換膜燃料電池 (protonexchangemembranefuelcell，英文簡(jiǎn)稱 PEMFC)是一種燃料電池，在原理上相當(dāng)于水電解的 “逆 ”裝置。其單電池由陽(yáng)極、陰極和質(zhì)子交換膜組成，陽(yáng)極為氫燃料發(fā)生氧化的場(chǎng)所，陰極為氧化劑還原的場(chǎng)所，兩極都含有加速電極電化學(xué)反應(yīng)的催化劑，質(zhì)子交換膜作為電解質(zhì)。工作時(shí)相當(dāng)于一直流電源，其陽(yáng)極即電源負(fù)極，陰極為電源正極。167。 兩電極的反應(yīng)分別為：167。 　　陽(yáng)極 (負(fù)極 )： 2H24e=4H+167。 　　陰極 (正極 )： O2+4e+4H+=2H2O167。 　　注意所有的電子 e都省略了負(fù)號(hào)上標(biāo)。由于質(zhì)子交換膜只能傳導(dǎo)質(zhì)子，因此氫質(zhì)子可直接穿過(guò)質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極，而電子只能通過(guò)外電路才能到達(dá)陰極。當(dāng)電子通過(guò)外電路流向陰極時(shí)就產(chǎn)生了直流電。以陽(yáng)極為參考時(shí)，陰極電位為 。也即每一單電池的發(fā)電電壓理論上限為 。接有負(fù)載時(shí)輸出電壓取決于輸出電流密度，通常在 ～ 1V之間。將多個(gè)單電池層疊組合就能構(gòu)成輸出電壓滿足實(shí)際負(fù)載需要的燃料電池堆 (簡(jiǎn)稱電堆 )。 1516PEMFC的電極常被稱為膜電極組件，它是指質(zhì)子交換膜和其兩側(cè)各一片多孔氣體擴(kuò)散電極（涂有催化劑的多孔碳布）組成的陰、陽(yáng)極和電解質(zhì)的復(fù)合體。 圖 10－ 19 膜電極結(jié)構(gòu)示意圖 17167?！‰姸延啥鄠€(gè)單體電池以串聯(lián)方式層疊組合而成。將雙極板與膜電極三合一組件 (MEA)交替疊合，各單體之間嵌入密封件，經(jīng)前、后端板壓緊后用螺桿緊固拴牢，即構(gòu)成質(zhì)子交換膜燃料電池電堆，如附圖所示。疊合壓緊時(shí)應(yīng)確保氣體主通道對(duì)正以便氫氣和氧氣能順利通達(dá)每一單電池。電堆工作時(shí)，氫氣和氧氣分別由進(jìn)口引入，經(jīng)電堆氣體主通道分配至各單電池的雙極板，經(jīng)雙極板導(dǎo)流均勻分配至電極，通過(guò)電極支撐體與催化劑接觸進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)。 167。 電堆的核心是 MEA組件和雙極板。 MEA是將兩張噴涂有 Nafion溶液及 Pt催化劑的碳纖維紙電極分別置于經(jīng)預(yù)處理的質(zhì)子交換膜兩側(cè)，使催化劑靠近質(zhì)子交換膜，在一定溫度和壓力下模壓制成。雙極板常用石墨板材料制作，具有高密度、高強(qiáng)度，無(wú)穿孔性漏氣，在高壓強(qiáng)下無(wú)變形，導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能優(yōu)良，與電極相容性好等特點(diǎn)。常用石墨雙極板厚度約 2～ ，經(jīng)銑床加工成具有一定形狀的導(dǎo)流流體槽及流體通道，其流道設(shè)計(jì)和加工工藝與電池性能密切相關(guān)。 18質(zhì)子交換膜燃料電池優(yōu)點(diǎn)167。 質(zhì)子交換膜燃料電池具有如下優(yōu)點(diǎn)：167。 其發(fā)電過(guò)程不涉及氫氧燃燒，因而不受卡諾循環(huán)的限制，能量轉(zhuǎn)換率高；167。 發(fā)電時(shí)不產(chǎn)生污染，發(fā)電單元模塊化，可靠性高，組裝和維修都很方便，工作時(shí)也沒(méi)有噪音。所以，質(zhì)子交換膜燃料電池電源是一種清潔、高效的綠色環(huán)保電源。 167。 　　質(zhì)子交