燃料电池分类：酸性和碱性|新能源汽车概论

燃料电池是一种将氢和氧的化学能通过电极反应直接转换成电能的装置,能量转换效率可达60%～70%,其实际使用效率是普通内燃机的两倍左右,能量转换效率高是燃料电池的主要特点之一。

燃料电池的种类有很多,其分类方法也较多。按不同方法大致分类如下:

①按燃料的类型分类有直接式燃料电池、间接式燃料电池和再生型燃料电池。

②按燃料电池工作温度分类有低温型(低于200℃)、中温型(200～750℃)和高温型(高于750℃)。

③按运行机理分类有酸性燃料电池和碱性燃料电池。

④按电解质的种类分类有碱性燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池和质子交换膜燃料电池。

(1)碱性燃料电池(AFC)

碱性燃料电池的电解质为碱性的氢氧化钾(KOH),其结构原理如图2-3-2所示。碱性燃料电池一般以石墨、镍和不锈钢作为碱性燃料电池的结构材料。化学反应温度为80～260℃。碱性燃料电池是以KOH或者NaOH等强碱性的水溶液为电解质,氢为燃料,纯氧或者脱除微量二氧化碳的空气为氧化剂的燃料电池。碱性燃料电池在燃料电极处采用多孔镍或铂、钯为催化剂,在氧电极处用多孔银或金属氧化物、尖石晶为催化剂。

碱性燃料电池是最早开发并获得成功的燃料电池。碱性燃料电池具有稳定、耐久等优点。碱性燃料电池分为中温(工作温度约为523 K)和低温(工作温度低于373 K)两种。

图2-3-2

碱性燃料电池的优点:效率高,氧在碱性介质中的还原反应比其他的酸性介质高;本身是碱性介质,可以用非铂催化剂;工作温度低,可以采用镍板做双极板。

碱性燃料电池的缺点:电解质为碱性,易与CO2生成K2CO3、Na2CO3沉淀,严重影响电池性能,必须除去CO2,这给其在常规环境中的应用带来很大的困难;电池的水平衡困难,影响电池的稳定性。

(2)磷酸燃料电池(PAFC)

磷酸燃料电池以磷酸为电解质,由燃料电极、隔板、隔膜、空气电极、氧电极和冷却板组成。磷酸燃料电池以浓磷酸为电解质,在催化剂作用下被氧化成为质子。氢质子和水结合成水合质子,同时释放出两个自由电子,电子向阴极运动,而水合质子通过磷酸电解质向阴极移动,如图2-3-3所示。

图2-3-3

磷酸燃料电池作为一种中低温型(工作温度180～220℃)燃料电池,具有发电效率高、清洁、适应多种燃料、无噪声、运转费低、设备场所限制少、大气压运转容易操作、安全性优良、部分负荷特性好等特点,还可以热水形式回收大部分热量。

磷酸燃料电池用于发电厂包括两种情形:一是分散型发电厂,容量为10～20 MW,安装在配电站;二是中心电站型发电厂,容量在100 MW以上,可以作为中等规模热电厂。磷酸燃料电池电厂比一般电厂具有以下优点:即使在发电负荷比较低时,依然保持高的发电效率;采用模块结构,现场安装简单、省时,电厂扩容容易。

(3)熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)(www.xing528.com)

熔融碳酸盐燃料电池以Li2CO3和K2CO3的混合物为电解质,在燃料电极处采用多孔镍为催化剂,在氧电极处采用掺锂和氧化镍为催化剂。

这种电池需要较长的时间才能达到工作温度,不能用于交通运输,其电解质的温度和腐蚀性表明它们用于家庭发电不太安全。但是,其较高的发电效率对大规模的工业加工和发电汽轮机则具有较大的吸引力。目前的示范电池可产生高达2 MW的电力,50～100 MW容量的电力设计已提到议事日程。

(4)固体氧化物燃料电池(SOFC)

固体氧化物燃料电池属于第三代燃料电池,其工作温度为800～1 000℃。在这种燃料电池中,当氧离子从阴极移动到阳极氧化燃料气体(主要是氢和一氧化碳的混合物)时便产生能量。阳极生成的电子通过外部电路移动返回到阴极上,减少进入的氧,从而完成循环,其结构原理如图2-3-4所示。

图2-3-4

固体氧化物燃料电池的特点:温度高,能抵御CO的污染,燃料面广,可用煤、石油或天然气作为燃料;高温条件下可以不用催化剂就发生化学反应;固体氧化物催化剂对电池的结构材料没有腐蚀;可以实现内部重整,余热可以用来加热空气和甲醇等燃料;全固态氧化物材料制取困难,制作工艺复杂;工作温度高,需要采用隔热措施;热效率较熔融碳酸盐燃料电池低。固体氧化物燃料电池适合于发电厂,难以用于驱动汽车。

固体氧化物燃料电池的开发研究以及商业化,是解决目前世界能源短缺和环境污染的重要手段,受到了世界上大多数国家的普遍重视。

(5)质子交换膜燃料电池(PEMFC)

质子交换膜燃料电池也称为固态聚合燃料电池(SPFC)。质子交换膜燃料电池的质子膜多采用全氟磺酸质子交换膜,具有电解质、电极活性物质的基底和能够选择透过离子的功能。质子交换膜燃料电池单体主要由膜电极(阳极、阴极)、质子交换膜组成,其结构原理如图2-3-5所示。在燃料电池内部,质子交换膜为质子的迁移和输送提供通道,使质子经过膜从阳极到达阴极,与外电路的电子转移构成回路,向外界提供电流。质子交换膜的性能对燃料电池的性能起着非常重要的作用,它的好坏直接影响电池的使用寿命。

图2-3-5

质子交换膜燃料电池采用贵重金属铂作为催化剂。由于燃料气体中的CO会使铂中毒,因此对燃料有较高要求。质子交换膜燃料电池比能量高达200 W·h/kg,单体电池电压为1 V,具有无腐蚀、安全耐用、在常温下容易快速启动和关闭等优点。

质子交换膜燃料电池的优点:发电过程不涉及氢氧燃烧,不受卡诺循环的限制,能量转换率高;发电时不产生污染,发电单元模块化,可靠性高,组装和维修都很方便,工作时没有噪声,是一种清洁、高效的绿色环保电源;工作温度低、启动快、功率高、结构简单、操作方便,被公认为是电动汽车、固体发电站等的首选能源。

质子交换膜燃料电池的缺点:全氟物质的合成和磺化非常困难,成膜过程中的水解\磺化容易使聚合物变性、降解,使成膜困难,导致成本较高;对温度和含水量要求高,最佳工作温度为70～90℃,超过此温度会使其含水量急剧降低,导电性迅速下降,阻碍通过适当提高工作温度来提高电极反应速度和克服催化剂中毒的难题;某些碳氢化合物,如甲醇等,渗透率较高,不适合用作甲醇燃料电池的质子交换膜。

质子交换膜燃料电池发电作为新一代发电技术,其广阔的应用前景可与计算机技术相媲美。经过多年的基础研究与应用开发,质子交换膜燃料电池用作汽车动力的研究已经取得实质性进展,微型质子交换膜燃料电池便携电源和小型质子交换膜燃料电池移动电源已达到产品化程度,中、大功率质子交换膜燃料电池发电系统的研究也取得了一定成果。采用质子交换膜燃料电池氢能发电将大大提高重要装备及建筑电气系统的供电可靠性,使重要建筑物以市电和备用集中柴油电站供电的方式向市电与中、小型质子交换膜燃料电池发电装置、太阳能发电、风力发电等分散电源联网备用供电的灵活发供电系统转变,极大地提高了建筑物的智能化程度、节能水平和环保效益。

各类电池及其性能见表2-3-1。

表2-3-1　各类电池及其性能