燃料電池按燃料電解質(zhì)的類型來(lái)分類的，可分為堿性燃料電池(AFC)、磷酸燃料電池(PAFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)、固體氧化物燃料電池(SOFC)和質(zhì)子交換膜燃料電池(PENFC)五大類。

堿性燃料電池(AFC)

堿性燃料電池是該技術(shù)發(fā)展最快的一種電池，主要為空間任務(wù)，包括航天飛機(jī)提供動(dòng)力和飲用水。

原理

使用的電解質(zhì)為水溶液或穩(wěn)定的氫氧化鉀基質(zhì)，且電化學(xué)反應(yīng)也與羥基(OH)從陰極移動(dòng)到陽(yáng)極與氫反應(yīng)生成水和電子略有不同。這些電子是用來(lái)為外部電路提供能量，然后才回到陰極與氧和水反應(yīng)生成更多的羥基離子。

負(fù)極反應(yīng)：2H2+4OH-→4H2O+4e-

正極反應(yīng)：O2+2H2O+4e-→4OH-

堿性燃料電池的工作溫度大約80℃。因此，它們的啟動(dòng)也很快，但其電力密度卻比質(zhì)子交換膜燃料電池的密度低十來(lái)倍，在汽車中使用顯得相當(dāng)笨拙。不過(guò)，它們是燃料電池中生產(chǎn)成本最低的一種電池，因此可用于小型的固定發(fā)電裝置。

如同質(zhì)子交換膜燃料電池一樣，堿性燃料電池對(duì)能污染催化劑的一氧化碳和其它雜質(zhì)也非常敏感。此外，其原料不能含有一氧化碳，因?yàn)橐谎趸寄芘c氫氧化鉀電解質(zhì)反應(yīng)生成碳酸鉀，降低電池的性能。

特點(diǎn)

低溫性能好，溫度范圍寬，并且可以在較寬溫度范圍內(nèi)選擇催化劑，但是才用的堿性電解質(zhì)易受CO2的毒化作用因此必須要嚴(yán)格出去CO2，成本就偏高。

磷酸燃料電池(PAFC)

磷酸燃料電池(PAFC)是當(dāng)前商業(yè)化發(fā)展得最快的一種燃料電池。正如其名字所示，這種電池使用液體磷酸為電解質(zhì)，通常位于碳化硅基質(zhì)中。磷酸燃料電池的工作溫度要比質(zhì)子交換膜燃料電池和堿性燃料電池的工作溫度略高，位于150-200℃左右，但仍需電極上的白金催化劑來(lái)加速反應(yīng)。其陽(yáng)極和陰極上的反應(yīng)與質(zhì)子交換膜燃料電池相同，但由于其工作溫度較高，所以其陰極上的反應(yīng)速度要比質(zhì)子交換膜燃料電池的陰極的速度快。

原理

電池中采用的是100%磷酸電解質(zhì)，其常溫下是固體，相變溫度是42℃。氫氣燃料被加入到陽(yáng)極，在催化劑作用下被氧化成為質(zhì)子。氫質(zhì)子和水結(jié)合成水合質(zhì)子，同時(shí)釋放出兩個(gè)自由電子。電子向陰極運(yùn)動(dòng)，而水合質(zhì)子通過(guò)磷酸電解質(zhì)向陰極移動(dòng)。因此，在陰極上，電子、水合質(zhì)子和氧氣在催化劑的作用下生成水分子。具體的電極反應(yīng)表達(dá)如下。

陽(yáng)極反應(yīng)：H2+2H2O→2H3O++2e

陰極反應(yīng)：O2+4H3O++4e→6H2O

總反應(yīng)：O2+2H2→2H2O

特點(diǎn)

磷酸燃料電池一般工作在200℃左右，采用鉑作為催化劑，效率達(dá)到40%以上。由于不受二氧化碳限制，磷酸燃料電池可以使用空氣作為陰極反應(yīng)氣體，也可以采用重整氣作為燃料，這使得它非常適合用作固定電站。特點(diǎn)

較高的工作溫度也使其對(duì)雜質(zhì)的耐受性較強(qiáng)，當(dāng)其反應(yīng)物中含有1-2%的一氧化碳和百萬(wàn)分之幾的硫時(shí)，磷酸燃料電池照樣可以工作。

磷酸燃料電池的效率比其它燃料電池低，約為40%，其加熱的時(shí)間也比質(zhì)子交換膜燃料電池長(zhǎng)。雖然磷酸燃料電池具有上述缺點(diǎn)，它們也擁有許多優(yōu)點(diǎn)，例如構(gòu)造簡(jiǎn)單，穩(wěn)定，電解質(zhì)揮發(fā)度低等。磷酸燃料電池可用作公共汽車的動(dòng)力，而且有許多這樣的系統(tǒng)正在運(yùn)行，不過(guò)這種電池是乎將來(lái)也不會(huì)用于私人車輛。在過(guò)去的20多年中，大量的研究使得磷酸燃料電池能成功地用語(yǔ)固定的應(yīng)用，已有許多發(fā)電能力為0.2–20MW的工作裝置被安裝在世界各地，為醫(yī)院，學(xué)校和小型電站提供動(dòng)力。

它采用磷酸為電解質(zhì)，利用廉價(jià)的炭材料為骨架。它除以氫氣為燃料外，現(xiàn)在還有可能直接利用甲醇、天然氣、城市煤氣等低廉燃料，與堿性氫氧燃料電池相比，最大的優(yōu)點(diǎn)是它不需要CO2處理設(shè)備。磷酸型燃料電池已成為發(fā)展最快的，也是目前最成熟的燃料電池，它代表了燃料電池的主要發(fā)展方向。

熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)

熔融碳酸鹽燃料電池是由多孔陶瓷陰極、多孔陶瓷電解質(zhì)隔膜、多孔金屬陽(yáng)極、金屬極板構(gòu)成的燃料電池。

原理

電解質(zhì)是熔融態(tài)碳酸鹽。

反應(yīng)原理示意圖如下：

陰極：O2+2CO2+4e-→2CO32-

陽(yáng)極：2H2+2CO32-→2CO2+2H2O+4e-

總反應(yīng)：O2+2H2→2H2O

特點(diǎn)

熔融碳酸鹽燃料電池是一種高溫電池(600℃～700℃)，具有效率高(高于40%)、噪音低、無(wú)污染、燃料多樣化(氫氣、煤氣、天然氣和生物燃料等)、余熱利用價(jià)值高和電池構(gòu)造材料價(jià)廉等諸多優(yōu)點(diǎn)，是下一世紀(jì)的綠色電站。

燃料電池工程中心研制和小批量生產(chǎn)隔膜材料和電池隔膜，制備MCFC電極并組裝數(shù)千瓦的電池組。已可批量生產(chǎn)隔膜材料LiAlO2粉料，開發(fā)成功制備1000cm2LiAlO2隔膜的工藝，已組裝了28cm2、110cm2單電池，并進(jìn)行了電池性能的評(píng)價(jià)和研究，現(xiàn)正在進(jìn)行千瓦級(jí)電池組的研制。

固體氧化物燃料電池(SOFC)

固體氧化物燃料電池(SolidOxideFuelCell，簡(jiǎn)稱SOFC)屬于第三代燃料電池，是一種在中高溫下直接將儲(chǔ)存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能高效、環(huán)境友好地轉(zhuǎn)化成電能的全固態(tài)化學(xué)發(fā)電裝置。被普遍認(rèn)為是在未來(lái)會(huì)與質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)一樣得到廣泛普及應(yīng)用的一種燃料電池。

原理

固體氧化物燃料電池的工作原理與其他燃料電池相同，在原理上相當(dāng)于水電解的“逆”裝置。其單電池由陽(yáng)極、陰極和固體氧化物電解質(zhì)組成，陽(yáng)極為燃料發(fā)生氧化的場(chǎng)所，陰極為氧化劑還原的場(chǎng)所，兩極都含有加速電極電化學(xué)反應(yīng)的催化劑。工作時(shí)相當(dāng)于一直流電源，其陽(yáng)極即電源負(fù)極，陰極為電源正極。

在固體氧化物燃料電池的陽(yáng)極一側(cè)持續(xù)通入燃料氣，例如：氫氣(H2)、甲烷(CH4)、城市煤氣等，具有催化作用的陽(yáng)極表面吸附燃料氣體，并通過(guò)陽(yáng)極的多孔結(jié)構(gòu)擴(kuò)散到陽(yáng)極與電解質(zhì)的界面。在陰極一側(cè)持續(xù)通人氧氣或空氣，具有多孔結(jié)構(gòu)的陰極表面吸附氧，由于陰極本身的催化作用，使得O2得到電子變?yōu)镺2-，在化學(xué)勢(shì)的作用下，O2-進(jìn)入起電解質(zhì)作用的固體氧離子導(dǎo)體，由于濃度梯度引起擴(kuò)散，最終到達(dá)固體電解質(zhì)與陽(yáng)極的界面，與燃料氣體發(fā)生反應(yīng)，失去的電子通過(guò)外電路回到陰極。

特點(diǎn)

SOFC與第一代燃料電池(磷酸型燃料電池，簡(jiǎn)稱PAFC)、第二代燃料電池(熔融碳酸鹽燃料電池，簡(jiǎn)稱MCFC)相比它有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)較高的電流密度和功率密度;

(2)陽(yáng)、陰極極化可忽略，彼化損失集中在電解質(zhì)內(nèi)阻降;

(3)可直接使用氫氣、烴類(甲烷)、甲醇等作燃料，而不必使用貴金屬作催化劑;

(4)避免了中、低溫燃料電池的酸堿電解質(zhì)或熔鹽電解質(zhì)的腐蝕及封接問(wèn)題;

(5)能提供高質(zhì)余熱，實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)，燃料利用率高，能量利用率高達(dá)80%左右，是一種清潔高效的能源系統(tǒng);

(6)廣泛采用陶瓷材料作電解質(zhì)、陰極和陽(yáng)極，具有全固態(tài)結(jié)構(gòu);

(7)陶瓷電解質(zhì)要求中、高溫運(yùn)行(600～1000℃)，加快了電池的反應(yīng)進(jìn)行，還可以實(shí)現(xiàn)多種碳?xì)淙剂蠚怏w的內(nèi)部還原，簡(jiǎn)化了設(shè)備。

固體氧化物燃料電池具有燃料適應(yīng)性廣、能量轉(zhuǎn)換效率高、全固態(tài)、模塊化組裝、零污染等優(yōu)點(diǎn)，可以直接使用氫氣、一氧化碳、天然氣、液化氣、煤氣及生物質(zhì)氣等多種碳?xì)淙剂稀Ｔ诖笮图泄╇?、中型分電和小型家用熱電?lián)供等民用領(lǐng)域作為固定電站，以及作為船舶動(dòng)力電源、交通車輛動(dòng)力電源等移動(dòng)電源，都有廣闊的應(yīng)用前景。

質(zhì)子交換膜燃料電池(PENFC)

質(zhì)子交換膜燃料電池(protonexchangemembranefuelcell，英文簡(jiǎn)稱PEMFC)是一種燃料電池，在原理上相當(dāng)于水電解的“逆”裝置。其單電池由陽(yáng)極、陰極和質(zhì)子交換膜組成，陽(yáng)極為氫燃料發(fā)生氧化的場(chǎng)所，陰極為氧化劑還原的場(chǎng)所，兩極都含有加速電極電化學(xué)反應(yīng)的催化劑，質(zhì)子交換膜作為電解質(zhì)。工作時(shí)相當(dāng)于一直流電源，其陽(yáng)極即電源負(fù)極，陰極為電源正極。

原理

兩電極的反應(yīng)分別為：

陽(yáng)極(負(fù)極)：2H2-4e=4H+;陰極(正極)：O2+4e+4H+=2H2O

注意所有的電子e都省略了負(fù)號(hào)上標(biāo)。由于質(zhì)子交換膜只能傳導(dǎo)質(zhì)子，因此氫質(zhì)子可直接穿過(guò)質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極，而電子只能通過(guò)外電路才能到達(dá)陰極。當(dāng)電子通過(guò)外電路流向陰極時(shí)就產(chǎn)生了直流電。以陽(yáng)極為參考時(shí)，陰極電位為1.23V。也即每一單電池的發(fā)電電壓理論上限為1.23V。接有負(fù)載時(shí)輸出電壓取決于輸出電流密度，通常在0.5～1V之間。將多個(gè)單電池層疊組合就能構(gòu)成輸出電壓滿足實(shí)際負(fù)載需要的燃料電池堆(簡(jiǎn)稱電堆)。

特點(diǎn)

質(zhì)子交換膜燃料電池具有如下優(yōu)點(diǎn)：其發(fā)電過(guò)程不涉及氫氧燃燒，因而不受卡諾循環(huán)的限制，能量轉(zhuǎn)換率高;發(fā)電時(shí)不產(chǎn)生污染，發(fā)電單元模塊化，可靠性高，組裝和維修都很方便，工作時(shí)也沒有噪音。所以，質(zhì)子交換膜燃料電池電源是一種清潔、高效的綠色環(huán)保電源。