和氫相關(guān)的燃料電池居然也有這么多種類(lèi)？

　更新時(shí)間：2023-11-07 點(diǎn)擊量：711

燃料電池是一種生物以及電化學(xué)系統，根據所使用的電解質(zhì)和制造過(guò)程進(jìn)行分類(lèi)。通過(guò)電化學(xué)過(guò)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(guò)程。目前有幾種燃料電池技術(shù)處于原型開(kāi)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、涉及的催化劑、工作溫度和用作原料的燃料類(lèi)型方面有所不同。下面就目前已知的燃料電池分類(lèi)以及特點(diǎn)給您簡(jiǎn)單科普。下面1用圖片的方式簡(jiǎn)單呈現了各類(lèi)型燃料電池所用的燃料以及簡(jiǎn)單結構釋義和工作溫度等；圖2用表格方式給各位看官呈現了各類(lèi)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(jiàn)類(lèi)型的基于燃料電池的系統示意圖

圖2：一些常見(jiàn)類(lèi)型的基于燃料電池的系統以及工作特點(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(lèi)型的燃料電池更受歡迎的選擇，也是我們目前最常見(jiàn)和商業(yè)化應用推廣的技術(shù)路線(xiàn)。該名稱(chēng)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(lái)自?xún)藁蛑卣鞯募儦洌?9.99%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(dòng)時(shí)間更快，對系統組件的磨損更少，這意味著(zhù)更好的耐用性。然而，使用鉑等貴金屬催化劑會(huì )增加系統成本。雖然PEMFC主要用于運輸目的，但它們也可以用于固定式發(fā)電熱電聯(lián)供應用。它們特別適合于公共汽車(chē)、轎車(chē)和重型卡車(chē)等車(chē)輛應用。代表性的企業(yè)非常多，如日本豐田、韓國現代、巴拉德等等，國內企業(yè)更是不勝枚舉。具體結構原理如下圖3所示：

圖3：PEMFC原理結構示意圖

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

大多數燃料電池的動(dòng)力來(lái)自氫氣，氫氣可以直接供應給系統，也可以通過(guò)重整富氫燃料(如甲醇、乙醇或碳氫化合物)產(chǎn)生。但是，DMFC(直接甲醇燃料電池)的運行基于100%的甲醇，在直接注入燃料電池陽(yáng)極之前，甲醇通常與水混合。DMFC不會(huì )遇到其他燃料電池系統常見(jiàn)的燃料儲存困難，因為甲醇比氫具有更高的能量密度(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(guò)現有的基礎設施運輸和分銷(xiāo)。DMFC通常用于便攜式燃料電池應用，如手機和筆記本電腦。目前有一些企業(yè)在做商業(yè)化推廣，尤其在基站等場(chǎng)景。結構原理如下圖4所示：

圖4：直接甲醇燃料電池（DMFC）結構原理示意圖

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(guò)來(lái)又給了在陽(yáng)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。這些燃料電池與傳統的PEM燃料電池類(lèi)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(huì )產(chǎn)生碳酸鹽沉積，從而嚴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)模式運行，以再生電解質(zhì)并減少碳酸鹽的形成，但這種模式會(huì )帶來(lái)分流電流和其他問(wèn)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(wèn)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(huì )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在數瓦到數千瓦范圍內的潛在用途。然而，在實(shí)際應用中，需要解決一些挑戰，如對二氧化碳的耐受性、膜的導電性和耐久性。商業(yè)化推廣較弱，企業(yè)未知。下圖5是AFC的結構原理示意圖。

圖5：堿性燃料電池（AFC）結構原理示意圖

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)反應可以在右側的圖1中找到。PAFC通常被稱(chēng)為“第一代”現代燃料電池，被認為是成熟的電池類(lèi)型之一，已經(jīng)在商業(yè)上使用了一段時(shí)間。它們主要用于固定發(fā)電，但也有PAFCs為大型車(chē)輛(如城市公交車(chē))供電的實(shí)例。與質(zhì)子交換膜(PEM)電池相比，PAFCs在耐受轉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”，因為一氧化碳會(huì )與陽(yáng)極的鉑催化劑結合，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(shí)效率超過(guò)85%。然而，它們單獨發(fā)電時(shí)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的發(fā)電廠(chǎng)，燃料為基礎的發(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(wú)人機等。具體結構原理示意圖如下圖6（實(shí)在沒(méi)找到更好的圖片）。

圖6：磷酸燃料電池（PAFC）結構原理示意圖，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(kāi)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(chǎng)，用于電力公用事業(yè)，工業(yè)和軍事部門(mén)的各種應用。這些燃料電池被設計在大約650°C(或1200°F)的高溫下工作，被認為是高溫燃料電池。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(yáng)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(zhù)降低成本。當與渦輪機結合使用時(shí)，這些燃料電池的效率可以達到65%，遠遠超過(guò)磷酸燃料電池的37%到42%的效率。此外，當余熱被捕獲和利用時(shí)，整體燃料效率可以超過(guò)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化為氫氣。相反，燃料電池本身通過(guò)內部重整將甲烷和其他輕烴轉化為氫，從而降低了成本，以目前的技術(shù)，MCFC在耐久性方面面臨著(zhù)一個(gè)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(kāi)發(fā)燃料電池設計，以期在不犧牲性能的情況下，將目前4萬(wàn)小時(shí)(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，結果原理圖如下圖7所示。

圖7：MCFC（熔融碳酸鹽燃料電池）結構原理示意圖

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(wú)孔陶瓷化合物作為電解質(zhì)，在將燃料轉化為電能方面效率很高，效率約為60%。在熱電聯(lián)產(chǎn)應用中，捕獲和利用系統的廢熱，整體燃料使用效率可超過(guò)~84%。這些燃料電池在非常高的溫度下工作，最高可達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可以在內部改造燃料，允許使用各種燃料，并減少與系統中添加轉化器相關(guān)的費用。固體氧化物燃料電池(SOFC)與其他類(lèi)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(lèi)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(zhù)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(lái)了挑戰，包括啟動(dòng)緩慢和熱屏蔽要求，這使得它們不適合運輸。此外，由于高溫下的惡劣條件，耐久性是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。因此，開(kāi)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(kāi)發(fā)溫度較低的SOFC，其耐久性問(wèn)題較少，操作成本也較低。雖然這些低溫SOFC還沒(méi)有達到與高溫系統相同的性能，但科學(xué)工作者們目前正在開(kāi)發(fā)可以在這種較低溫度范圍內工作的堆疊材料。目前相關(guān)企業(yè)國內外也比較多。具體工作以及結構原理如下圖8。

圖8：SOFC結構原理示意圖

七、可逆燃料電池（RFC——Reversible Fuel Cells）

可逆燃料電池嚴格意義來(lái)說(shuō)并不特指某一技術(shù)路線(xiàn)，目前常見(jiàn)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，因為它們從氫和氧中產(chǎn)生電力和熱量和水的副產(chǎn)品。然而，可逆燃料電池系統具有額外的能力，可以使用太陽(yáng)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(zhù)可逆燃料電池不僅在需要時(shí)提供電力，而且當可再生能源技術(shù)產(chǎn)生的能量超過(guò)目前所需時(shí)，它還能以氫的形式儲存多余的能量。這種能量?jì)Υ鏉摿τ谑归g歇性可再生能源更加有效和可靠至關(guān)重要。

文章來(lái)源：氫眼所見(jiàn)

注：以獲得轉載權

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和氫相關(guān)的燃料電池居然也有這么多種類(lèi)？

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