干貨丨燃料電池的類型
發布時間：
2022-06-02
燃料電池是一種能夠將燃料與氧化劑中的化學能通過電化學反應直接轉化為電能的發電裝置。可廣泛應用于固定式、分布式電站以及移動、便攜電源等領域。按照燃料電池中的電解質和工作原理不同，燃料電池的種類可以分為質子交換膜燃料電池(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)。以下為各類燃料電池簡介。
燃料電池是一種能夠將燃料與氧化劑中的化學能通過電化學反應直接轉化為電能的發電裝置。可廣泛應用于固定式、分布式電站以及移動、便攜電源等領域。按照燃料電池中的電解質和工作原理不同，燃料電池的種類可以分為質子交換膜燃料電池(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)。以下為各類燃料電池簡介。
01
質子交換膜燃料電池(PEMFC)
質子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，簡稱PEMFC)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。工作時相當于一個直流電源，其陽極即電源負極，陰極為電源正極。工作原理圖如圖1所示。PEMFC發展時間較短，較低的運行溫度以及靈活的設計結構使得PEMFC在從移動的汽車電源到一般電源等領域都有著廣泛的應用。
圖1 PEMFC工作原理圖
02
磷酸燃料電池(PAFC)
磷酸燃料電池(Phosphoric Acid Fuel Cell ，簡稱PAFC)使用液體磷酸為電解質，采用多孔碳負載鉑的催化劑做電極，氫氣進料到負電極，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加速反應。其陽極和陰極上的反應與質子交換膜燃料電池相同，不過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電池的陰極的速度快。已有醫院和軍隊將其作為應急電源運行了若干年。
圖2 PAFC 工作原理圖
03
熔融碳酸燃料電池(MCFC)
熔融碳酸鹽燃料電池(Molten Carbonate Fuel Cell，簡稱MCFC)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電池，其電解質是熔融態碳酸鹽，工作原理圖如圖3所示。MCFC的優點在于工作溫度較高，反應速度加快;對燃料的純度要求相對較低，可以對燃料進行電池內重整;不需貴金屬催化劑，成本較低;采用液體電解質，較易操作。不足之處在于，高溫條件下液體電解質的管理較困難，長期操作過程中，腐蝕和滲漏現象嚴重，降低了電池的壽命。
圖3 MCFC工作原理圖
04
堿性燃料電池(AFC)
堿性燃料電池(Alkaline Fuel Cells ，簡稱AFC)使用的電解質為水溶液或穩定的氫氧化鉀基質，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提供能量，然后才回到陰極與氧和水反應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，它們的啟動也很快，但其電流密度卻比質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成本最低的一種電池，因此可用于小型的固定發電裝置。
圖4 AFC工作原理圖
05
固體氧化物燃料電池(SOFC)
固體氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell，簡稱SOFC)電解質采用固體氧化物氧離子(O2-)導體，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。與其他類型燃料電池相比，SOFC燃料適應性強，可以使用一氧化碳、烴類等作為燃料;此外，其電極電解質材料為陶瓷材料，可顯著降低燃料電池的成本;電極總體為全固體結構，制造維護成本低，無電極毒化，無漏液腐蝕，工作壽命長。因此，近年來針對SOFC系統的研究逐漸深入，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。
圖5 SOFC工作原理圖
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