鉅大鋰電 | 點(diǎn)擊量：0次 | 2019年08月11日
燃料電池的種類
燃料電池的種類
燃料電池依據(jù)其電解質(zhì)的性質(zhì)而分為不同的類型，每類燃料電池需要特殊的材料和燃料，且使用于其特殊的應(yīng)用。本文后面的部分將以質(zhì)子交換膜燃料電池為例介紹燃料電池概念的科學(xué)技術(shù)發(fā)展，同時(shí)也討論一些其它主要設(shè)計(jì)的特點(diǎn)和應(yīng)用。
下圖顯示了質(zhì)子交換膜燃料電池的基本設(shè)計(jì)。
陰極：O2+4H++4e-→2H2O
整體：2H2+O2→2H2O+能量
這種電極/電解質(zhì)裝置通常稱做膜電極裝配（MEA），將其夾在二個(gè)場(chǎng)流板中間便能構(gòu)成燃料電池。這二個(gè)板上都有溝槽，將燃料引導(dǎo)到電極上，也能通過膜電極裝配導(dǎo)電。每個(gè)電池能產(chǎn)生約0.7伏的電，足夠供一個(gè)照明燈泡使用。驅(qū)動(dòng)一輛汽車則需要約300伏的電力。為了得到更高的電壓，將多個(gè)單個(gè)的電池串聯(lián)起來便可形成人們稱做的燃料電池存儲(chǔ)器。
質(zhì)子交換膜燃料電池?fù)碛性S多特點(diǎn)，因此成為汽車和家庭應(yīng)用的理想能源，它可代替充電電池。它能在較低的溫度下工作，因此能在嚴(yán)寒條件下迅速啟動(dòng)。其電力密度較高，因此其體積相對(duì)較小。此外，這種電池的工作效率很高，能獲得40-50%的最高理論電壓，而且能快速地根據(jù)用電的需求而改變其輸出。
目前，能產(chǎn)生50kW電力的示范裝置業(yè)已在使用，能產(chǎn)生高達(dá)250kW的裝置也正在開發(fā)。當(dāng)然，要想使該技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，仍然還有一系列的問題尚待解決。其中最主要的問題是制造成本，因?yàn)槟げ牧虾痛呋瘎┚职嘿F。不過人們進(jìn)行的研究正在不斷地降低成本，一旦能夠大規(guī)模生產(chǎn)，比價(jià)的經(jīng)濟(jì)效益將會(huì)充分顯示出來。
另一個(gè)大問題是這種電池需要純凈的氫方能工作，因?yàn)樗鼈儤O易受到一氧化碳和其它雜質(zhì)的污染。這主要是因?yàn)樗鼈冊(cè)诘蜏貤l件下工作時(shí)，必需使用高銘感的催化劑。當(dāng)它們與能在較高溫度下工作的膜一起工作時(shí)，必須產(chǎn)生更易耐受的催化劑系統(tǒng)才能工作。
堿性燃料電池的設(shè)計(jì)基本與質(zhì)子交換膜燃料電池的設(shè)計(jì)相似，但其使用的電解質(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。
陰極反應(yīng)：O2+2H2O+4e-→4OH-
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，不過這種電池是乎將來也不會(huì)用于私人車輛。在過去的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。
陰極反應(yīng)：CO2+1/2O2+2e-→CO32-
不過，高溫也會(huì)帶來一些問題。這種電池需要較長(zhǎng)的時(shí)間方能達(dá)到工作溫度，因此不能用于交通運(yùn)輸，其電解質(zhì)的溫度和腐蝕特性表明它們用于家庭發(fā)電不太安全。但是，其較高的發(fā)電效率對(duì)于大規(guī)模的工業(yè)加工和發(fā)電氣輪機(jī)則具有較大的吸引力。目前的示范電池可產(chǎn)生高達(dá)2MW的電力，50-100MW容量的電力設(shè)計(jì)業(yè)已提到議事日程。
在這種燃料電池中，當(dāng)氧陽(yáng)向離子從陰極移動(dòng)到陽(yáng)極氧化燃料氣體（主要是氫和一氧化碳的混合物）使便產(chǎn)生能量。陽(yáng)極生成的電子通過外部電路移動(dòng)返回到陰極上，減少進(jìn)入的氧，從而完成循環(huán)。
CO+O2-→CO2+2e-
陰極反應(yīng):O2+4e-→2O2-
固態(tài)氧化物燃料電池的效率約為60%左右，可供工業(yè)界用來發(fā)電和取暖，同時(shí)也具有為車輛提供備用動(dòng)力的潛力。
陰極反應(yīng)：3/2O2+6H++6e-→3H2O
電池反應(yīng)：CH3OH+3/2O2→CO2+2H2O
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