【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n 燃料電池的能量轉換效率高，不受卡諾效率限制。 n 清潔、環(huán)保。燃料電池不需要鍋爐、汽輪機等大型設備、沒有 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）氫氣在陽極催化劑的作用下，發(fā)生下列陽極反應：（ 2）氫離子穿過電解質(zhì)到達陰極。電子則通過外電路及負載也達到陰極。在陰極催化劑的作用下，生成水反應式為：（ 3）綜合起來，氫氧燃料電池中總的電池反應為：伴隨著電池反應，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加速燃料電池化學反應中電荷轉移的一種作用，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極和陰極反應。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。 *評價催化劑的主要技術指標為穩(wěn)定性、電催化活性、電導率和經(jīng)濟性。6燃料電池的分類一、燃料電池的分類按燃料電池的運行機理分。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）堿性染料電池簡介167。 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。 167。 　　167。 　　負極反應：167。 　　正極反應：167。 　　堿性燃料電池的工作溫度大約 80℃ 。因此，它們的啟動也很快，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(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，因為一氧化碳能與氫氧化鉀電解質(zhì)反應生成碳酸鉀，降低電池的性能。10圖 10－ 8 堿性燃料電池的結構（自由電解質(zhì)型） 112． 1． 2AFC的優(yōu)點是：167。 ① 效率高，因為氧在堿性介質(zhì)中的還原反應比其他酸性介質(zhì)高；167。 ② 因為是堿性介質(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的缺點是：167。 ① 因為電解質(zhì)為堿性，易與 CO2生成 K2CONa2CO3沉淀，嚴重影響電池性能，所以必須除去CO2，這給其在常規(guī)環(huán)境中應用帶來很大的困難。167。 ② 電池的水平衡問題很復雜，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）是最早開發(fā)并獲得成功的燃料電池，早在 20世紀 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，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目上的電源，經(jīng)過幾十年的使用，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發(fā)重點，其應用目標是便攜式電源和交通工具用動力電源。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，并迅速達到額定負荷，而且電池的本體材料選擇廣泛，電池造價較低。因此，堿性燃料電池作為高效且價格低廉的成熟技術，若應用于便攜式電源和交通工具用動力電源，具有一定的發(fā)展和應用前景。167。 堿性燃料在實際使用中，往往采用空氣作為氧化劑，空氣中的 CO2會毒害堿性電解質(zhì)生成碳酸根離子，對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)的復雜化，成本增高，導致其不適于民用、與其他燃料電池相比競爭力降低。13167。 　　 20世紀 90年代以來，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，使其在汽車上的應用受到限制，因此，除少數(shù)機構還在研究堿性燃料電池外，大多數(shù)汽車廠商和研究機構都在質(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過濾器或堿液循環(huán)等手段去除 CO2，克服其致命弱點后，用于汽車的堿性燃料電池將具有現(xiàn)實意義。因此，堿性燃料電池領域近年的研究重點是 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介167。 質(zhì)子交換膜燃料電池 (protonexchangemembranefuelcell，英文簡稱 PEMFC)是一種燃料電池，在原理上相當于水電解的 “逆 ”裝置。其單電池由陽極、陰極和質(zhì)子交換膜組成，陽極為氫燃料發(fā)生氧化的場所，陰極為氧化劑還原的場所，兩極都含有加速電極電化學反應的催化劑，質(zhì)子交換膜作為電解質(zhì)。工作時相當于一直流電源，其陽極即電源負極，陰極為電源正極。167。 兩電極的反應分別為：167。 　　陽極 (負極 )： 2H24e=4H+167。 　　陰極 (正極 )： O2+4e+4H+=2H2O167。 　　注意所有的電子 e都省略了負號上標。由于質(zhì)子交換膜只能傳導質(zhì)子，因此氫質(zhì)子可直接穿過質(zhì)子交換膜到達陰極，而電子只能通過外電路才能到達陰極。當電子通過外電路流向陰極時就產(chǎn)生了直流電。以陽極為參考時，陰極電位為 。也即每一單電池的發(fā)電電壓理論上限為 。接有負載時輸出電壓取決于輸出電流密度，通常在 ～ 1V之間。將多個單電池層疊組合就能構成輸出電壓滿足實際負載需要的燃料電池堆 (簡稱電堆 )。 1516PEMFC的電極常被稱為膜電極組件，它是指質(zhì)子交換膜和其兩側各一片多孔氣體擴散電極（涂有催化劑的多孔碳布）組成的陰、陽極和電解質(zhì)的復合體。 圖 10－ 19 膜電極結構示意圖 17167?！‰姸延啥鄠€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，即構成質(zhì)子交換膜燃料電池電堆，如附圖所示。疊合壓緊時應確保氣體主通道對正以便氫氣和氧氣能順利通達每一單電池。電堆工作時，氫氣和氧氣分別由進口引入，經(jīng)電堆氣體主通道分配至各單電池的雙極板，經(jīng)雙極板導流均勻分配至電極，通過電極支撐體與催化劑接觸進行電化學反應。 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)預處理的質(zhì)子交換膜兩側，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、高強度，無穿孔性漏氣，在高壓強下無變形，導電、導熱性能優(yōu)良，與電極相容性好等特點。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流流體槽及流體通道，其流道設計和加工工藝與電池性能密切相關。 18質(zhì)子交換膜燃料電池優(yōu)點167。 質(zhì)子交換膜燃料電池具有如下優(yōu)點：167。 其發(fā)電過程不涉及氫氧燃燒，因而不受卡諾循環(huán)的限制，能量轉換率高；167。 發(fā)電時不產(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，工作時也沒有噪音。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