鉅大LARGE | 點擊量：3035次 | 2021年04月21日
簡述五大類燃料動力電池的工作原理和各自的特點介紹
燃料動力電池按燃料電解質的類型來分類的，可分為堿性燃料動力電池（AFC）、磷酸燃料動力電池（PAFC）、熔融碳酸鹽燃料動力電池(MCFC)、固體氧化物燃料動力電池(SOFC)和質子交換膜燃料動力電池(PENFC)五大類。
3.1堿性燃料動力電池（AFC）
堿性燃料動力電池是該技術發(fā)展最快的一種電池，重要為空間任務，包括航天飛機供應動力和飲用水。
3.1.1原理
使用的電解質為水溶液或穩(wěn)定的氫氧化鉀基質，且電化學反應也與羥基（OH）從陰極移動到陽極與氫反應生成水和電子略有不同。這些電子是用來為外部電路供應能量，然后才回到陰極與氧和水反應生成更多的羥基離子。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
負極反應：2H2+4OH-→4H2O+4e-
正極反應：O2+2H2O+4e-→4OH-
堿性燃料動力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子交換膜燃料動力電池的密度低十來倍，在汽車中使用顯得相當笨拙。不過，它們是燃料動力電池中生產(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。
如同質子交換膜燃料動力電池相同，堿性燃料動力電池對能污染催化劑的一氧化碳和其它雜質也非常敏感。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反應生成碳酸鉀，降低電池的性能。
3.1.2特點
低溫性能好，溫度范圍寬，并且可以在較寬溫度范圍內選擇催化劑，但是才用的堿性電解質易受CO2的毒化用途因此必須要嚴格出去CO2，成本就偏高。
3.2磷酸燃料動力電池（PAFC）
磷酸燃料動力電池（PAFC）是當前商業(yè)化發(fā)展得最快的一種燃料動力電池。正如其名字所示，這種電池使用液體磷酸為電解質，通常位于碳化硅基質中。磷酸燃料動力電池的工作溫度要比質子交換膜燃料動力電池和堿性燃料動力電池的工作溫度略高，位于150-200℃左右，但仍需電極上的白金催化劑來加速反應。其陽極和陰極上的反應與質子交換膜燃料動力電池相同，但由于其工作溫度較高，所以其陰極上的反應速度要比質子交換膜燃料動力電池的陰極的速度快。
3.2.1原理
電池中采用的是100%磷酸電解質，其常溫下是固體，相變溫度是42℃。氫氣燃料被加入到陽極，在催化劑用途下被氧化成為質子。氫質子和水結合成水合質子，同時釋放出兩個自由電子。電子向陰極運動，而水合質子通過磷酸電解質向陰極移動。因此，在陰極上，電子、水合質子和氧氣在催化劑的用途下生成水分子。具體的電極反應表達如下。
陽極反應：H2+2H2O→2H3O++2e
陰極反應：O2+4H3O++4e→6H2O
總反應：O2+2H2→2H2O
3.2.2特點
磷酸燃料動力電池一般工作在200℃左右，采用鉑作為催化劑，效率達到40%以上。由于不受二氧化碳限制，磷酸燃料動力電池可以使用空氣作為陰極反應氣體，也可以采用重整氣作為燃料，這使得它非常適合用作固定電站。特點
較高的工作溫度也使其對雜質的耐受性較強，當其反應物中含有1-2%的一氧化碳和百萬分之幾的硫時，磷酸燃料動力電池照樣可以工作。
磷酸燃料動力電池的效率比其它燃料動力電池低，約為40%，其加熱的時間也比質子交換膜燃料動力電池長。雖然磷酸燃料動力電池具有上述缺點，它們也擁有許多優(yōu)點，例如構造簡單，穩(wěn)定，電解質揮發(fā)度低等。磷酸燃料動力電池可用作公共汽車的動力，而且有許多這樣的系統(tǒng)正在運行，不過這種電池是乎將來也不會用于私人車輛。在過去的20多年中，大量的研究使得磷酸燃料動力電池能成功地用語固定的應用，已有許多發(fā)電能力為0.2–20MW的工作裝置被安裝在世界各地，為醫(yī)院，學校和小型電站供應動力。
它采用磷酸為電解質，利用廉價的炭材料為骨架。它除以氫氣為燃料外，現(xiàn)在還有可能直接利用甲醇、天然氣、城市煤氣等低廉燃料，與堿性氫氧燃料動力電池相比，最大的優(yōu)點是它不要CO2處理設備。磷酸型燃料動力電池已成為發(fā)展最快的，也是目前最成熟的燃料動力電池，它代表了燃料動力電池的重要發(fā)展方向。
3.3熔融碳酸鹽燃料動力電池(MCFC)
熔融碳酸鹽燃料動力電池是由多孔陶瓷陰極、多孔陶瓷電解質隔膜、多孔金屬陽極、金屬極板構成的燃料動力電池。
3.3.1原理
電解質是熔融態(tài)碳酸鹽。
反應原理示意圖如下：
陰極：O2+2CO2+4e-→2CO32-
陽極：2H2+2CO32-→2CO2+2H2O+4e-
總反應：O2+2H2→2H2O
3.3.2特點
熔融碳酸鹽燃料動力電池是一種高溫電池（600℃～700℃），具有效率高（高于40%）、噪音低、無污染、燃料多樣化（氫氣、煤氣、天然氣和生物燃料等）、余熱利用價值高和電池構造材料價廉等諸多優(yōu)點，是下一世紀的綠色電站。
燃料動力電池工程中心研制和小批量生產(chǎn)隔膜材料和電池隔膜，制備MCFC電極并組裝數(shù)千瓦的電池組。已可批量生產(chǎn)隔膜材料LiAlO2粉料，開發(fā)成功制備1000cm2LiAlO2隔膜的工藝，已組裝了28cm2、110cm2單電池，并進行了電池性能的評價和研究，現(xiàn)正在進行千瓦級電池組的研制。
3.4固體氧化物燃料動力電池(SOFC)
固體氧化物燃料動力電池(SolidOxideFuelCell，簡稱SOFC)屬于第三代燃料動力電池，是一種在中高溫下直接將儲存在燃料和氧化劑中的化學能高效、環(huán)境友好地轉化成電能的全固態(tài)化學發(fā)電裝置。被普遍認為是在未來會與質子交換膜燃料動力電池(PEMFC)相同得到廣泛普及應用的一種燃料動力電池。
3.4.1原理
固體氧化物燃料動力電池的工作原理與其他燃料動力電池相同，在原理上相當于水電解的逆裝置。其單電池由陽極、陰極和固體氧化物電解質組成，陽極為燃料發(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。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。
在固體氧化物燃料動力電池的陽極一側持續(xù)通入燃料氣，例如：氫氣(H2)、甲烷(CH4)、城市煤氣等，具有催化用途的陽極表面吸附燃料氣體，并通過陽極的多孔結構擴散到陽極與電解質的界面。在陰極一側持續(xù)通人氧氣或空氣，具有多孔結構的陰極表面吸附氧，由于陰極本身的催化用途，使得O2得到電子變?yōu)镺2-，在化學勢的用途下，O2-進入起電解質用途的固體氧離子導體，由于濃度梯度引起擴散，最終到達固體電解質與陽極的界面，與燃料氣體發(fā)生反應，失去的電子通過外電路回到陰極。
3.4.2特點
SOFC與第一代燃料動力電池(磷酸型燃料動力電池，簡稱PAFC)、第二代燃料動力電池(熔融碳酸鹽燃料動力電池，簡稱MCFC)相比它有如下優(yōu)點：
(1)較高的電流密度和功率密度；
(2)陽、陰極極化可忽略，彼化損失集中在電解質內阻降；
(3)可直接使用氫氣、烴類(甲烷)、甲醇等作燃料，而不必使用貴金屬作催化劑；
(4)防止了中、低溫燃料動力電池的酸堿電解質或熔鹽電解質的腐蝕及封接問題；
(5)能供應高質余熱，實現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)，燃料利用率高，能量利用率高達80％左右，是一種清潔高效的能源系統(tǒng)；
(6)廣泛采用陶瓷材料作電解質、陰極和陽極，具有全固態(tài)結構；
(7)陶瓷電解質要求中、高溫運行(600～1000℃)，加快了電池的反應進行，還可以實現(xiàn)多種碳氫燃料氣體的內部還原，簡化了設備。
固體氧化物燃料動力電池具有燃料適應性廣、能量轉換效率高、全固態(tài)、模塊化組裝、零污染等優(yōu)點，可以直接使用氫氣、一氧化碳、天然氣、液化氣、煤氣及生物質氣等多種碳氫燃料。在大型集中供電、中型分電和小型家用熱電聯(lián)供等民用領域作為固定電站，以及作為船舶動力電源、交通車輛動力電源等移動電源，都有廣闊的應用前景。
3.5質子交換膜燃料動力電池(PENFC)
質子交換膜燃料動力電池(protonexchangemembranefuelcell，英文簡稱PEMFC)是一種燃料動力電池，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，質子交換膜作為電解質。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。
3.5.1原理
兩電極的反應分別為：
陽極(負極)：2H2-4e=4H+；陰極(正極)：O2+4e+4H+=2H2O
注意所有的電子e都省略了負號上標。由于質子交換膜只能傳導質子，因此氫質子可直接穿過質子交換膜到達陰極，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出現(xiàn)了直流電。以陽極為參考時，陰極電位為1.23V。也即每一單電池的發(fā)電電壓理論上限為1.23V。接有負載時輸出電壓取決于輸出電流密度，通常在0.5～1V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要的燃料動力電池堆(簡稱電堆)。
3.5.2特點
質子交換膜燃料動力電池具有如下優(yōu)點：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；發(fā)電時不出現(xiàn)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，質子交換膜燃料動力電池電源是一種清潔、高效的綠色環(huán)保電源。
