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干貨丨燃料電池的類(lèi)型

發(fā)布時(shí)間：

2022-06-02

燃料電池是一種能夠?qū)⑷剂吓c氧化劑中的化學(xué)能通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。可廣泛應(yīng)用于固定式、分布式電站以及移動(dòng)、便攜電源等領(lǐng)域。按照燃料電池中的電解質(zhì)和工作原理不同，燃料電池的種類(lèi)可以分為質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)、磷酸燃料電池(PAFC)、熔融碳酸燃料電池(MCFC)、堿性燃料電池(AFC)和固體氧化物燃料電池(SOFC)。以下為各類(lèi)燃料電池簡(jiǎn)介。

　　質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)

　　質(zhì)子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，簡(jiǎn)稱(chēng)PEMFC)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)于一個(gè)直流電源，其陽(yáng)極即電源負(fù)極，陰極為電源正極。工作原理圖如圖1所示。PEMFC發(fā)展時(shí)間較短，較低的運(yùn)行溫度以及靈活的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)使得PEMFC在從移動(dòng)的汽車(chē)電源到一般電源等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。

圖1 PEMFC工作原理圖

　　磷酸燃料電池(PAFC)

　　磷酸燃料電池(Phosphoric Acid Fuel Cell ，簡(jiǎn)稱(chēng)PAFC)使用液體磷酸為電解質(zhì)，采用多孔碳負(fù)載鉑的催化劑做電極，氫氣進(jìn)料到負(fù)電極，氧氣(或空氣)到正電極。其工作原理圖如圖2所示。磷酸燃料電池的工作溫度要比質(zhì)子交換膜燃料電池和堿性燃料電池的工作溫度略高，大概在150~200℃左右，但仍需電極上的白金催化劑來(lái)加速反應(yīng)。其陽(yáng)極和陰極上的反應(yīng)與質(zhì)子交換膜燃料電池相同，不過(guò)由于其工作溫度較高，所以其陰極上的反應(yīng)速度要比質(zhì)子交換膜燃料電池的陰極的速度快。已有醫(yī)院和軍隊(duì)將其作為應(yīng)急電源運(yùn)行了若干年。

圖2 PAFC 工作原理圖

　　熔融碳酸燃料電池(MCFC)

　　熔融碳酸鹽燃料電池(Molten Carbonate Fuel Cell，簡(jiǎn)稱(chēng)MCFC)是由多孔陶瓷陰極、多孔陶瓷電解質(zhì)隔膜、多孔金屬陽(yáng)極、金屬極板構(gòu)成的燃料電池，其電解質(zhì)是熔融態(tài)碳酸鹽，工作原理圖如圖3所示。MCFC的優(yōu)點(diǎn)在于工作溫度較高，反應(yīng)速度加快;對(duì)燃料的純度要求相對(duì)較低，可以對(duì)燃料進(jìn)行電池內(nèi)重整;不需貴金屬催化劑，成本較低;采用液體電解質(zhì)，較易操作。不足之處在于，高溫條件下液體電解質(zhì)的管理較困難，長(zhǎng)期操作過(guò)程中，腐蝕和滲漏現(xiàn)象嚴(yán)重，降低了電池的壽命。

圖3 MCFC工作原理圖

　　堿性燃料電池(AFC)

　　堿性燃料電池(Alkaline Fuel Cells ，簡(jiǎn)稱(chēng)AFC)使用的電解質(zhì)為水溶液或穩(wěn)定的氫氧化鉀基質(zhì)，且電化學(xué)反應(yīng)也與羥基(OH-)從陰極移動(dòng)到陽(yáng)極與氫反應(yīng)生成水和電子略有不同。這些電子是用來(lái)為外部電路提供能量，然后才回到陰極與氧和水反應(yīng)生成更多的羥基離子。其工作原理圖如圖4所示。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，但其電流密度卻比質(zhì)子交換膜燃料電池的密度低十來(lái)倍，在汽車(chē)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。

圖4 AFC工作原理圖

　　固體氧化物燃料電池(SOFC)

　　固體氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell，簡(jiǎn)稱(chēng)SOFC)電解質(zhì)采用固體氧化物氧離子(O2-)導(dǎo)體，起傳遞 O2-及分離空氣和燃料的雙重作用。SOFC工作原理如圖5所示。與其他類(lèi)型燃料電池相比，SOFC燃料適應(yīng)性強(qiáng)，可以使用一氧化碳、烴類(lèi)等作為燃料;此外，其電極電解質(zhì)材料為陶瓷材料，可顯著降低燃料電池的成本;電極總體為全固體結(jié)構(gòu)，制造維護(hù)成本低，無(wú)電極毒化，無(wú)漏液腐蝕，工作壽命長(zhǎng)。因此，近年來(lái)針對(duì)SOFC系統(tǒng)的研究逐漸深入，其在大型集中供電、中型分電和小型家用熱電聯(lián)供等民用領(lǐng)域作為固定電站，以及作為船舶動(dòng)力電源、交通車(chē)輛動(dòng)力電源等移動(dòng)電源，都有廣闊的應(yīng)用前景。