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堿性燃料電池（電子工程學(xué)科中的理論）

次瀏覽 | 更新時間：2023-05-22

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堿性燃料電池

電子工程學(xué)科中的理論

堿性燃料電池（alkaline fuel cell，AFC）是第一個燃料電池技術(shù)的發(fā)展，最初由美國航空航天局的太空計劃，同時生產(chǎn)電力和水的航天器上。AFCS繼續(xù)使用NASA航天飛機上的整個程序中，除了數(shù)量有限的商業(yè)應(yīng)用。

基本信息

中文名	堿性燃料電池
影響	燃料電池技術(shù)的發(fā)展
作用	航天飛機
使用	催化劑
學(xué)科	電子工程
外文名	alkaline fuel cell，AFC

收起

簡介

電動車輛和規(guī)模化儲能等新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，以及高性能便攜式電子設(shè)備的進步，迫切需要高效、清潔的電化學(xué)儲能系統(tǒng)。目前廣泛使用的鋰離子電池的能量密度已接近理論極限，無法滿足對儲能系統(tǒng)的迫切要求。因此，全世界都在積極探索下一代的電化學(xué)儲能系統(tǒng)。

燃料電池（fuel cells，F(xiàn)C）是一種可以將儲存在燃料和氧氣中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的電化學(xué)儲能裝置。普通的內(nèi)燃機由于需要經(jīng)歷熱機過程，受卡諾循環(huán)的限制，其能量轉(zhuǎn)化率大多低于15%，燃料電池不受此限制，因而具有很高的能量轉(zhuǎn)化率，一般為40%~60%，如果將余熱充分利用，甚至可以高達90%。此外，燃料電池在工作時，其反應(yīng)產(chǎn)物一般只有H2O和CO2，很少會排放出NOx和SOx，

因而不會污染環(huán)境，是新一代的綠色能源。燃料電池在工作時排出的二氧化碳量，也低于傳統(tǒng)火力發(fā)電廠的60%?？梢?，燃料電池對解決目前全世界所面臨的能源安全(Energy Security)和環(huán)境保護(Environment Protection)兩大難題都具有極其重要的意義。同時，燃料電池由于具有高效、綠色、安全等優(yōu)點，被認為是21世紀(jì)的新能源之星。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對已研究開發(fā)出來的燃料電池，按照電解質(zhì)的種類進行分類，主要分為5種：堿性燃料電池（AFC），一般用6~8mol·L的KOH溶液作為電解質(zhì)；磷酸型燃料電池（PAFC），大多以質(zhì)量分數(shù)為98wt%左右的濃H3PO4溶液為電解質(zhì)；熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC），大多將Li2CO3和K2CO3按一定比例混合后作為電解質(zhì)；質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC），通常采用美國Du Pont公司生產(chǎn)的Nafion膜作為電解質(zhì)；固體氧化物燃料電池（SOFC），采用YSZ（Y2O3摻雜穩(wěn)定的ZrO2）等作為氧離子導(dǎo)體。

在眾多類型的燃料電池中，堿性燃料電池(AFC)技術(shù)是最成熟的。從20世紀(jì)60年代到80年代，國內(nèi)外學(xué)者深入廣泛地研究并開發(fā)了堿性燃料電池。但是在80年代以后，由于新的燃料電池技術(shù)的出現(xiàn)，例如PEMFC使用了更為便捷的固態(tài)電解質(zhì)而且可以有效防止電解液的泄漏，AFC逐漸褪去了其原有的光彩。但是，通過PEMFC和AFC之間的對比，不難發(fā)現(xiàn)理論上AFC的性能要優(yōu)于PEMFC，甚至早期的AFC系統(tǒng)都可以輸出比現(xiàn)有PEMFC系統(tǒng)更高的電流密度。成本分析表明：AFC系統(tǒng)用于混合動力電動車與PEMFC相比要更有優(yōu)勢。與PEMFC相比，AFC在陰極動力學(xué)和降低歐姆極化方面具有很多優(yōu)勢；堿性體系中的氧還原反應(yīng)(ORR)動力學(xué)比酸性體系中使用Pt催化劑的H2SO4體系和使用Ag催化劑的HClO4體系都要更高。同時，堿性體系的弱腐蝕性也確保了AFC能夠長期工作。AFC中更快的ORR動力學(xué)使得非貴金屬以及低價金屬例如Ag和Ni作為催化劑成為可能，這也使得AFC與使用Pt催化劑為主的PEMFC相比更有競爭力。因此，近年來對堿性燃料電池研究的復(fù)蘇逐漸凸顯出來。

化學(xué)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）從陰極移動到陽極與氫反應(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。

負極反應(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倍，在汽車中使用顯得相當(dāng)笨拙。不過，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，其原料不能含有二氧化碳，因為二氧化碳能與氫氧化鉀電解質(zhì)反應(yīng)生成碳酸鉀，降低電池的性能。

AFC陽極電

電催化劑是燃料電池的關(guān)鍵組成部分，其性能高低直接決定了燃料電池的工作性能。燃料電池對電催化劑的基本要求為：（1）對電化學(xué)反應(yīng)具有很高的催化活性，能夠加速電化學(xué)反應(yīng)的進行；（2）對反應(yīng)的催化作用具有選擇性，即只對反應(yīng)物轉(zhuǎn)化為目標(biāo)產(chǎn)物的反應(yīng)具有催化作用，對其他副反應(yīng)并無催化作用；（3）具有良好的電子導(dǎo)電性，有利于電化學(xué)反應(yīng)過程中電荷的快速轉(zhuǎn)移，從而降低電池內(nèi)阻；（4）具有優(yōu)良的電化學(xué)穩(wěn)定性，從而保證其使用壽命。目前國內(nèi)外學(xué)者已將很多材料用于堿性燃料電池陽極電催化劑，主要包括Pt基、Pd基、Au基及非貴金屬催化劑等。

AFC陰極電

堿性燃料電池陰極主要為氧還原反應(yīng)（ORR），由于反應(yīng)中牽涉到4個電子的轉(zhuǎn)移步驟，還有O-O鍵的斷裂，易出現(xiàn)中間價態(tài)粒子，如HO2-和中間價態(tài)含氧物種等問題，因此AFC中陰極的氧還原反應(yīng)是一個很復(fù)雜的過程。目前關(guān)于ORR的真實反應(yīng)途徑尚不清楚，研究人員普遍認為主要有以下兩種途徑：

（i）直接四電子途徑：O2+2H2O+4e→4OH

（ii）二電子途徑：O2+H2O+2e→HO2+OH

HO2+H2O+2e+→3OH

從動力學(xué)理論上說，堿性體系中的氧還原反應(yīng)（ORR）速率要比酸性體系中更快一些。正是由于堿性體系中ORR速率較酸性體系更快，使得大量的材料得以用作AFC陰極催化劑，主要包括Pt基、Pd基、Ag基及非貴金屬催化劑等。

性能衰減機制

目前關(guān)于堿性體系中催化劑的性能衰減機制尚無相關(guān)研究，但是在PEMFC中關(guān)于Pt催化劑性能衰減機制方面，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)進行了大量研究工作，目前研究人員普遍認為，在PEMFC的工作環(huán)境下，Pt催化劑性能衰減的主要原因有：碳載體被腐蝕，導(dǎo)致Pt從載體上脫落；Pt顆粒的溶解-再沉積；Pt顆粒在碳載體表面的團聚。

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