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堿性燃料電池（電子工程學科中的理論）

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)應用。

基本信息

中文名	堿性燃料電池
影響	燃料電池技術的發(fā)展
作用	航天飛機
使用	催化劑
學科	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備的進步，迫切需要高效、清潔的電化學儲能系統(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能直接轉化為電能的電化學儲能裝置。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%。可見，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世紀的新能源之星。

目前，國內(nèi)外學者對已研究開發(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）等作為氧離子導體。

在眾多類型的燃料電池中，堿性燃料電池(AFC)技術是最成熟的。從20世紀60年代到80年代，國內(nèi)外學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(ORR)動力學比酸性體系中使用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蘇逐漸凸顯出來。

化學原理

使用的電解質(zhì)為水溶液或穩(wěn)定的氫氧化鉀基質(zhì)，且電化學反應也與羥基（-OH）從陰極移動到陽極與氫反應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生成更多的羥基離子。

負極反應：2H2+4OH→4H2O+4e

正極反應：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）對電化學反應具有很高的催化活性，能夠加速電化學反應的進行；（2）對反應的催化作用具有選擇性，即只對反應物轉化為目標產(chǎn)物的反應具有催化作用，對其他副反應并無催化作用；（3）具有良好的電子導電性，有利于電化學反應過程中電荷的快速轉移，從而降低電池內(nèi)阻；（4）具有優(yōu)良的電化學穩(wěn)定性，從而保證其使用壽命。目前國內(nèi)外學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（ORR），由于反應中牽涉到4個電子的轉移步驟，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是一個很復雜的過程。目前關于ORR的真實反應途徑尚不清楚，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

從動力學理論上說，堿性體系中的氧還原反應（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

目前關于堿性體系中催化劑的性能衰減機制尚無相關研究，但是在PEMFC中關于Pt催化劑性能衰減機制方面，國內(nèi)外學者已經(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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