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干货丨燃料电池的类型

发布时间：

2022-06-02

燃料电池是一种能够将燃料与氧化剂中的化学能通过电化学反应直接转化为电能的发电装置。可广泛应用于固定式、分布式电站以及移动、便携电源等领域。按照燃料电池中的电解质和工作原理不同，燃料电池的种类可以分为质子交换膜燃料电池(PEMFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸燃料电池(MCFC)、碱性燃料电池(AFC)和固体氧化物燃料电池(SOFC)。以下为各类燃料电池简介。

　　质子交换膜燃料电池(PEMFC)

　　质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，简称PEMFC)在原理上相当于水电解的“逆”装置。其单电池由阳极、阴极和质子交换膜组成，阳极为氢燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂，质子交换膜作为电解质。工作时相当于一个直流电源，其阳极即电源负极，阴极为电源正极。工作原理图如图1所示。PEMFC发展时间较短，较低的运行温度以及灵活的设计结构使得PEMFC在从移动的汽车电源到一般电源等领域都有着广泛的应用。

图1 PEMFC工作原理图

　　磷酸燃料电池(PAFC)

　　磷酸燃料电池(Phosphoric Acid Fuel Cell ，简称PAFC)使用液体磷酸为电解质，采用多孔碳负载铂的催化剂做电极，氢气进料到负电极，氧气(或空气)到正电极。其工作原理图如图2所示。磷酸燃料电池的工作温度要比质子交换膜燃料电池和碱性燃料电池的工作温度略高，大概在150~200℃左右，但仍需电极上的白金催化剂来加速反应。其阳极和阴极上的反应与质子交换膜燃料电池相同，不过由于其工作温度较高，所以其阴极上的反应速度要比质子交换膜燃料电池的阴极的速度快。已有医院和军队将其作为应急电源运行了若干年。

图2 PAFC 工作原理图

　　熔融碳酸燃料电池(MCFC)

　　熔融碳酸盐燃料电池(Molten Carbonate Fuel Cell，简称MCFC)是由多孔陶瓷阴极、多孔陶瓷电解质隔膜、多孔金属阳极、金属极板构成的燃料电池，其电解质是熔融态碳酸盐，工作原理图如图3所示。MCFC的优点在于工作温度较高，反应速度加快;对燃料的纯度要求相对较低，可以对燃料进行电池内重整;不需贵金属催化剂，成本较低;采用液体电解质，较易操作。不足之处在于，高温条件下液体电解质的管理较困难，长期操作过程中，腐蚀和渗漏现象严重，降低了电池的寿命。

图3 MCFC工作原理图

　　碱性燃料电池(AFC)

　　碱性燃料电池(Alkaline Fuel Cells ，简称AFC)使用的电解质为水溶液或稳定的氢氧化钾基质，且电化学反应也与羟基(OH-)从阴极移动到阳极与氢反应生成水和电子略有不同。这些电子是用来为外部电路提供能量，然后才回到阴极与氧和水反应生成更多的羟基离子。其工作原理图如图4所示。碱性燃料电池的工作温度大约80℃。因此，它们的启动也很快，但其电流密度却比质子交换膜燃料电池的密度低十来倍，在汽车中使用显得相当笨拙。不过，它们是燃料电池中生产成本最低的一种电池，因此可用于小型的固定发电装置。

图4 AFC工作原理图

　　固体氧化物燃料电池(SOFC)

　　固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，简称SOFC)电解质采用固体氧化物氧离子(O2-)导体，起传递 O2-及分离空气和燃料的双重作用。SOFC工作原理如图5所示。与其他类型燃料电池相比，SOFC燃料适应性强，可以使用一氧化碳、烃类等作为燃料;此外，其电极电解质材料为陶瓷材料，可显著降低燃料电池的成本;电极总体为全固体结构，制造维护成本低，无电极毒化，无漏液腐蚀，工作寿命长。因此，近年来针对SOFC系统的研究逐渐深入，其在大型集中供电、中型分电和小型家用热电联供等民用领域作为固定电站，以及作为船舶动力电源、交通车辆动力电源等移动电源，都有广阔的应用前景。

图5 SOFC工作原理图