燃料动力电池的特性

1碱性燃料动力电池（AFC）

AFC采用35%-45%KOH或NaOH溶液作为电解质，工作温度一般为23-70℃。其催化剂重要用贵金属铂、钯、金、银和过渡金属镍、钴、锰等，但催化剂对反应物中含有的微量CO2很敏感。

AFC的特点：较低的价格和较高的效率（50-55%）。AFC属于低温燃料动力电池，低温时也能保证启动时间较短，可以用于交通工具。价格低廉、用途高效、技术成熟，在交通运输领域，有广阔的发展和应用前景。尽管AFC的研究已比较成熟，但AFC的电解质采使具有腐蚀性的液体，具有一定的危险性，而且容易造成环境污染。此外，假如要解决CO2毒化问题，使用循环电解液来吸收CO2等，就新增了燃料动力电池系统的复杂性。

4.2磷酸燃料动力电池（PAFC）

PAFC是迄今唯一接近商品化的电池，其反应原理如图2所示。阳极反应为：H2→2H++2e-，阴极反应为：1/2O2+2H++2e-→H2O。显然，其全反应为电解水的逆过程：H2+1/2O2→H2O。PAFC工艺的发展重要是在70年代后期开发出合适的碳黑和石墨电池零部件才取得重大突破。

与碱性氢氧化物燃料动力电池相比，PAFC的优点在于贵金属催化剂用量相对明显减少，还原剂的纯度大大降低，CO含量可允许达5%；PAFC属于低温燃料动力电池，低温下发电，具有良好的稳定性；人们日常生活用水可以直接利用余热获得的水；与高温燃料动力电池相比，启动时间明显较短。缺点与AFC相同，必须用贵金属电作催化剂；CO含量不能过高，否则电催化剂将会被毒化，失去催化活性；电解质为高浓度磷酸，具有很强的腐蚀性，影响电池系统使用寿命；因仅有40-50%的发电效率（低热值），所以燃料要重整改质，新增了燃料动力电池系统的复杂性。

4.3质子交换膜燃料动力电池（PEMFC）

PEMFC一般用于小型发电装置和用作车辆等交通运输工具的动力。结构与PAFC差不多，都是由二层作为电极的催化层，中间有一层固态电解质（质子交换膜）同时起隔离层用途和外侧作结构支撑与气体扩散层用的碳纸组成，PEMFC工作原理如图3。

PEMFC采用多孔气体扩散电极，电解质为全氟磺酸型固体聚合物，电催化剂采用纯铂或碳载铂，氢气（H2）为燃料，氧气或空气为氧化剂。当PEMFC工作时，H2通过管道或导气板到达阳极，经过阳极催化剂催化用途，将H2分解为带正电的氢离子（H+）并释放出带负电的电子（e-）。H+穿过电解质到达阴极；电子通过外电路到达阴极，在这个过程中形成电流，通过连接电路可以向负载输出电能。在电池另一端，O2或空气通过管道或导气板到达阴极，经过阴极催化剂催化用途，氧与氢离子及电子发生反应生成水。

PEMFC的发展在AFC、MCFC、SOFC之后，但发展迅速，属于比能最高、温度最低、应用最广、启动最快、寿命最长的第五代燃料动力电池。它具有优点：（1）效能高。PEMFC不存在燃烧过程，所以不受卡诺循环限制，目前该燃料动力电池的效率大约是内燃机的两倍，其理论热效率可达85%-90%，；（2）燃料多样性。PEMFC不但可以纯氢为燃料，而且也可以用重整气为燃料；（3）模块化。在结构上PEMFC具有模块化的特点，根据不同动力的需求以搭积木的堆积形式组合安装；（4）可靠性高。PEMFC电堆采用模块化的设计方法，结构简单、便于安装、易于维护；（5）环境友好。PEMFC用纯氢作为燃料时水是唯一的产物，零排放，无污染。此外，PEMFC还具有噪声低，格结构部件均可回收利用等。

4.4熔融碳酸盐电池（MCFC）

MCFC属高温燃料动力电池，其工作温度在600～650℃。作为第二代燃料动力电池在近10余年来获得了长足进展。MCFC被美国认为是下一世纪的燃煤电厂的光明未来。美国投巨资建造了一座2MW的MCFC厂。日本也在准备开发1MW的MCFC厂。MCFC的电解质采用碳酸锂和碳酸钾构成的共晶混合物，离子导体是碳酸根。单电池系统由一个阳极、一个阴极及电解质组成。氧和CO2阴极反应形成碳酸根，碳酸根通过熔盐电解质扩散到阳极，与此同时碳酸根与氢反应将氢氧化，给出电子，进入外电路（图4）。MCFC采用重整产物如气态CO和H2的混合物作燃料。电极反应是：

阳极：H2+CO32-→H2O+CO2+2e-；CO+CO32-→2CO2+2e-(少量)；

迁移反应：CO+H2O→H2+CO2；

阴极：1/2O2+CO2+2e-→CO32-；

总反应：H2+1/2O2→H2O。

通过该化学反应方程式可知假如要出现2F的电量，阴极必须消耗1molCO2，而阳极则出现1molCO2。因此为保持电解质成分不变，要使CO2实现循环。

MCFC的优点：（1）较高的工作温度。由于电极反应活化能较小，不论是氢的氧化还原，还是氧的还原，都不要高效催化剂，不用使用贵金属，使成本降低；（2）余热高。电池排放的余热温度高达400℃，可以回收利用，总效率以可达90%以上；（3）燃料气体对CO含量要求降低，可以直接使用如煤制气等燃料；（4）可以不用水冷却，尤其适用于缺水的偏远地区。缺点：（1）将阳极出现的CO2重新输送到阴极，需新增CO2循环系统，新增了电池系统结构的复杂性；（2）高温工作环境以及强的腐蚀性电解质对电池各种材料的耐腐蚀性要求严格，影响电池寿命；（3）电池边缘的高温湿密封技术难度大，特别是在遭受腐蚀严重的阳极区。

4.5固体氧化物燃料动力电池（SOFC）

SOFC是一种全固态发电系统，它是以固体氧化物为电解质在高温环境下（约1000℃）工作，以确保其各部分元件有适当的离子和电子导电率。其剖面如图5所示。氧离子(O2-)是阴极与电解质的界面电子将电荷转移给氧分子以所出现。氧离子与阳极板表面的H2和CO结合分别出现H2O和CO2，并释放电子连通电路。各电极反应为：阴极：1/2O2+2e-→O2-；阳极：H2+O2-→H2O+2e-；电池总反应：H2+1/2O2→H2O(CO+1/2O2→CO2)。

持续向SOFC的阳极一侧通入气体燃料，如氢气（H2）、甲烷（CH4）、一氧化碳（CO）等，阳极表面呈多孔结构并且具有催化用途，利用阳极表面吸附燃料气体，通过多孔结构扩散到阳极与电解质的界面。向阴极一侧持续通入氧气或空气，阴极板结构与阳极相同，利用阴极表面的多孔结构吸附氧，并且通过催化用途，使得O2得到电子变为O2-，在化学势的用途下，氧离子进入电解质，利用浓度梯度引起扩散，最终到达固体电解质与阳极的界面，与燃料气体发生反应，电子利用电压差通过外电路回到阴极。