和氫相關(guān)的燃料電池居然也有這么多種類？

　更新時間：2023-11-07 點(diǎn)擊量：3188

燃料電池是一種生物以及電化學(xué)系統(tǒng)，根據(jù)所使用的電解質(zhì)和制造過程進(jìn)行分類。通過電化學(xué)過程，這些燃料電池產(chǎn)生各種形式的能量，或用于產(chǎn)生基于熱的能量或電力，而不需要燃燒或氣化等過程。目前有幾種燃料電池技術(shù)處于原型開發(fā)或研究階段，其中一些突出的技術(shù)在使用的電解質(zhì)、發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)、涉及的催化劑、工作溫度和用作原料的燃料類型方面有所不同。下面就目前已知的燃料電池分類以及特點(diǎn)給您簡單科普。下面1用圖片的方式簡單呈現(xiàn)了各類型燃料電池所用的燃料以及簡單結(jié)構(gòu)釋義和工作溫度等；圖2用表格方式給各位看官呈現(xiàn)了各類型燃料電池所需的電解質(zhì)、工作溫度、燃料、以及優(yōu)缺點(diǎn)。

圖1：一些常見類型的基于燃料電池的系統(tǒng)示意圖

圖2：一些常見類型的基于燃料電池的系統(tǒng)以及工作特點(diǎn)

一、聚合物電解質(zhì)膜燃料電池（PEMFC——Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells）

聚合物電解質(zhì)膜燃料電池(PEMFC)的高功率密度和輕重量使其成為比其他類型的燃料電池更受歡迎的選擇，也是我們目前最常見和商業(yè)化應(yīng)用推廣的技術(shù)路線。該名稱可與質(zhì)子交換膜燃料電池互換使用，這里也具體也可指為低溫燃料電池（LT—PEM）。固體聚合物電解質(zhì)和帶有鉑或鉑合金催化劑的碳電極使這些燃料電池可以只使用氫、氧（空氣）。通常，PEMFC使用來自儲罐或重整器的純氫（99.99%以上）作為燃料。這些燃料電池的工作溫度較低，約為80°C(176°F)，因此啟動時間更快，對系統(tǒng)組件的磨損更少，這意味著更好的耐用性。然而，使用鉑等貴金屬催化劑會增加系統(tǒng)成本。雖然PEMFC主要用于運(yùn)輸目的，但它們也可以用于固定式發(fā)電熱電聯(lián)供應(yīng)用。它們特別適合于公共汽車、轎車和重型卡車等車輛應(yīng)用。代表性的企業(yè)非常多，如日本豐田、韓國現(xiàn)代、巴拉德等等，國內(nèi)企業(yè)更是不勝枚舉。具體結(jié)構(gòu)原理如下圖3所示：

圖3：PEMFC原理結(jié)構(gòu)示意圖

二、直接甲醇燃料電池（DMFC——Direct Methanol Fuel Cells）

大多數(shù)燃料電池的動力來自氫氣，氫氣可以直接供應(yīng)給系統(tǒng)，也可以通過重整富氫燃料(如甲醇、乙醇或碳?xì)浠衔?產(chǎn)生。但是，DMFC(直接甲醇燃料電池)的運(yùn)行基于100%的甲醇，在直接注入燃料電池陽極之前，甲醇通常與水混合。DMFC不會遇到其他燃料電池系統(tǒng)常見的燃料儲存困難，因?yàn)榧状急葰渚哂懈叩哪芰棵芏?盡管低于汽油或柴油燃料)。此外，甲醇是一種液體，很像汽油，這使得它更容易通過現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)輸和分銷。DMFC通常用于便攜式燃料電池應(yīng)用，如手機(jī)和筆記本電腦。目前有一些企業(yè)在做商業(yè)化推廣，尤其在基站等場景。結(jié)構(gòu)原理如下圖4所示：

圖4：直接甲醇燃料電池（DMFC）結(jié)構(gòu)原理示意圖

三、堿性燃料電池（AFC——Alkaline Fuel Cells）

堿性電解水（AEC）被大家熟知，但堿性燃料電池（AFC）大家可能比較生疏，但AFC是最早發(fā)明的燃料電池技術(shù)之一，被廣泛應(yīng)用于美國太空計劃，在航天器上生產(chǎn)電能和水。使用氫氧化鉀和水的溶液作為電解液，這反過來又給了在陽極和陰極使用大量非貴金屬催化劑的自由。最近，使用聚合物膜作為電解液的新型AFCs已經(jīng)出現(xiàn)。這些燃料電池與傳統(tǒng)的PEM燃料電池類似，但使用堿性膜而不是酸性膜。堿性燃料電池(AFCs)的主要障礙之一是它們對二氧化碳(CO2)中毒的脆弱性。即使是空氣中微量的二氧化碳也會產(chǎn)生碳酸鹽沉積，從而嚴(yán)重影響電池的效率和壽命。雖然帶有液體電解質(zhì)的AFC可以以再循環(huán)模式運(yùn)行，以再生電解質(zhì)并減少碳酸鹽的形成，但這種模式會帶來分流電流和其他問題，如潤濕性、腐蝕和差壓處理。堿性膜燃料電池(AMFC)解決了這些問題，并且比使用液體電解質(zhì)的AFCs更不容易受到二氧化碳中毒的影響。然而，二氧化碳仍然會影響它們的性能，目前它們在性能和耐用性方面都落后于質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)。目前正在研究AMFC在數(shù)瓦到數(shù)千瓦范圍內(nèi)的潛在用途。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，需要解決一些挑戰(zhàn)，如對二氧化碳的耐受性、膜的導(dǎo)電性和耐久性。商業(yè)化推廣較弱，企業(yè)未知。下圖5是AFC的結(jié)構(gòu)原理示意圖。

圖5：堿性燃料電池（AFC）結(jié)構(gòu)原理示意圖

四、磷酸燃料電池（PAFCs——Phosphoric Acid Fuel Cells）

磷酸燃料電池(PAFCs)是一種將液態(tài)磷酸作為電解液的電池，它被包裹在碳化硅基體中，并由聚四氟乙烯鍵(PTFE)合而成。電極由含有鉑催化劑的多孔碳組成，電池中發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)可以在右側(cè)的圖1中找到。PAFC通常被稱為“第一代”現(xiàn)代燃料電池，被認(rèn)為是成熟的電池類型之一，已經(jīng)在商業(yè)上使用了一段時間。它們主要用于固定發(fā)電，但也有PAFCs為大型車輛(如城市公交車)供電的實(shí)例。與質(zhì)子交換膜(PEM)電池相比，PAFCs在耐受轉(zhuǎn)化為氫的化石燃料中的雜質(zhì)方面具有優(yōu)勢。PEM電池很容易被一氧化碳“中毒”，因?yàn)橐谎趸紩c陽極的鉑催化劑結(jié)合，從而降低燃料電池的效率。相比之下，PAFCs對雜質(zhì)有一定的容忍度，在熱電聯(lián)產(chǎn)時效率超過85%。然而，它們單獨(dú)發(fā)電時效率較低，效率范圍為37%-42%。這一效率水平僅略好于以燃燒為基礎(chǔ)的發(fā)電廠，燃料為基礎(chǔ)的發(fā)電效率通常在33%左右。此外，與同等重量和體積的其他燃料電池相比，PAFC的功率更小，體積更大，這使得它們的生產(chǎn)成本更高。制造這些燃料電池需要大量昂貴的鉑催化劑，這導(dǎo)致了更高的成本。代表性的企業(yè)如韓國斗山（DOOSAN）等，主要用于固定式發(fā)電以及無人機(jī)等。具體結(jié)構(gòu)原理示意圖如下圖6（實(shí)在沒找到更好的圖片）。

圖6：磷酸燃料電池（PAFC）結(jié)構(gòu)原理示意圖，其中電解質(zhì)為包裹于碳化硅基體中的磷酸

五、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC——Molten Carbonate Fuel Cells）

熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)的開發(fā)目前正在進(jìn)行中，其目的是將其用于天然氣和煤基發(fā)電廠，用于電力公用事業(yè)，工業(yè)和軍事部門的各種應(yīng)用。這些燃料電池被設(shè)計在大約650°C(或1200°F)的高溫下工作，被認(rèn)為是高溫燃料電池。MCFC中使用的電解質(zhì)是熔融碳酸鹽鹽，懸浮在多孔惰性陶瓷鋰鋁氧化物基體中。在高溫下操作的好處之一是，非貴金屬可以用作陽極和陰極的催化劑，這有助于降低成本。由于效率的提高，MCFC可以顯著降低成本。當(dāng)與渦輪機(jī)結(jié)合使用時，這些燃料電池的效率可以達(dá)到65%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過磷酸燃料電池的37%到42%的效率。此外，當(dāng)余熱被捕獲和利用時，整體燃料效率可以超過85%。與堿性、磷酸和PEM燃料電池不同，MCFC不需要外部重整器將天然氣和沼氣等燃料轉(zhuǎn)化為氫氣。相反，燃料電池本身通過內(nèi)部重整將甲烷和其他輕烴轉(zhuǎn)化為氫，從而降低了成本，以目前的技術(shù)，MCFC在耐久性方面面臨著一個重大缺陷。高溫下的惡劣操作條件和腐蝕性電解質(zhì)的使用加速了組件的腐蝕和分解，最終降低了電池的使用壽命。研究人員正在積極研究耐腐蝕材料的使用，并開發(fā)燃料電池設(shè)計，以期在不犧牲性能的情況下，將目前4萬小時(約5年)的使用壽命提高一倍。代表性企業(yè)如美國Fuel Cell Energy等，結(jié)果原理圖如下圖7所示。

圖7：MCFC（熔融碳酸鹽燃料電池）結(jié)構(gòu)原理示意圖

六：高溫固體氧化物電池（SOFC——Solid Oxide Fuel Cells）

固體氧化物燃料電池(SOFC)利用一種堅硬的無孔陶瓷化合物作為電解質(zhì)，在將燃料轉(zhuǎn)化為電能方面效率很高，效率約為60%。在熱電聯(lián)產(chǎn)應(yīng)用中，捕獲和利用系統(tǒng)的廢熱，整體燃料使用效率可超過~84%。這些燃料電池在非常高的溫度下工作，最高可達(dá)1830°F。

這種高溫操作不需要貴金屬催化劑，從而降低了成本。此外，SOFC可以在內(nèi)部改造燃料，允許使用各種燃料，并減少與系統(tǒng)中添加轉(zhuǎn)化器相關(guān)的費(fèi)用。固體氧化物燃料電池(SOFC)與其他類型的燃料電池相比具有明顯的優(yōu)勢。例如，它們可以比其他類型的電池忍受更多的硫，而且它們對一氧化碳中毒不敏感，這意味著它們可以使用各種燃料，如天然氣、沼氣和煤衍生氣體。此外，高溫操作消除了對貴金屬催化劑的需求，使其更便宜。然而，高溫操作帶來了挑戰(zhàn)，包括啟動緩慢和熱屏蔽要求，這使得它們不適合運(yùn)輸。此外，由于高溫下的惡劣條件，耐久性是一個關(guān)鍵問題。因此，開發(fā)能夠承受這些條件的低成本材料至關(guān)重要。一種很有前景的方法是開發(fā)溫度較低的SOFC，其耐久性問題較少，操作成本也較低。雖然這些低溫SOFC還沒有達(dá)到與高溫系統(tǒng)相同的性能，但科學(xué)工作者們目前正在開發(fā)可以在這種較低溫度范圍內(nèi)工作的堆疊材料。目前相關(guān)企業(yè)國內(nèi)外也比較多。具體工作以及結(jié)構(gòu)原理如下圖8。

圖8：SOFC結(jié)構(gòu)原理示意圖

七、可逆燃料電池（RFC——Reversible Fuel Cells）

可逆燃料電池嚴(yán)格意義來說并不特指某一技術(shù)路線，目前常見的有堿性可逆、PEM可逆、SOC可逆（是指電解水和燃料電池可逆），其工作原理與其他燃料電池相似，因?yàn)樗鼈儚臍浜脱踔挟a(chǎn)生電力和熱量和水的副產(chǎn)品。然而，可逆燃料電池系統(tǒng)具有額外的能力，可以使用太陽能和風(fēng)能等可再生能源的電力進(jìn)行電解并生產(chǎn)氫和氧燃料。這意味著可逆燃料電池不僅在需要時提供電力，而且當(dāng)可再生能源技術(shù)產(chǎn)生的能量超過目前所需時，它還能以氫的形式儲存多余的能量。這種能量儲存潛力對于使間歇性可再生能源更加有效和可靠至關(guān)重要。

文章來源：氫眼所見

注：以獲得轉(zhuǎn)載權(quán)

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