低温燃料电池

4．3  燃料电池的分类

    燃料电池有许多类型，可按电解质不同分类、也可按其工作温度不同、更可按开发历程分类。

    按电介质分类，可分为碱性燃料电池（AFC）、磷酸型燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）、质子交换膜燃料电池（PEMFC）等。

    按工作温度分类，可分为低温燃料电池（例如PAFC、PEMFC等工作温度均在200篊或100篊以内）、高温燃料电池（例如MCFC工作温度达650篊，SOFC工作温度达1000篊）。

    按开发历程分类，可分为第一代燃料电池（例如PAFC）、第二代燃料电池（例如MCFC）、第三代燃料电池（例如SOFC）。

    下面分别重点介绍一下碱性燃料电池和所谓“三代”的燃料电池。

4．3．1  碱性燃料电池

    碱性燃料电池（AFC），它的工作原理在前面已经叙述过。应该说这是一种最典型的低温氢氧燃料电池。与其他燃料电池相比，它的功率密度和比功率较高，性能稳定可靠。但它要以纯氢作燃料，纯氧作氧化剂，还必须用铂（Pt）或金（Au）、银（Ag）等贵金属做催化剂，价格昂贵。再说碱（KOH）作电解质，腐蚀严重，燃料电池的寿命较短。这些特点决定AFC仅局限于宇航和军事应用，不适用于民用普及。

目前AFC广泛应用于宇航和军事领域。

4．3．2  磷酸型燃料电池

    磷酸型燃料电池（包括PAFC和PEMFC）是低温燃料电池，也被称为第一代燃料电池。它的电解质是采用浓磷酸水溶液，电极多采用碳的多孔体，由于工作温度低，为了促进反应，利用铂（Pt）作触媒。

    它利用燃料气体或城市水煤气（CH4+H2O）经质改后产生的H2、CO和水蒸汽的混合物，其中，CO和水在移位反应器中，经触媒剂转化为H2和CO2，经这样处理后的燃料气体进入燃料堆的负极（燃料极）；而同时又把氧送入空气堆的正极（空气极），于是发生反应，借助触媒剂迅速转化为电能和部分热能。

（1）质改器的作用

    产生质改反应： CH4 + H2O → CO + 3H2   触媒层工作温度为800篊

（2）移位反应器作用

    产生移位反应： CO + H2O → CO2 + H2    触媒层工作温度为250篊

（3）燃料电池堆

    产生发电效应：  H2 + 1/2O2  →  H2O    工作温度为200篊

    燃料极和空气极的反应式，前文已提出过：

    燃料极：      H2 → 2 H + + 2 e >

    空气极：      2 H + + 1/2 O2 + 2 e > →  H2O

    这样由燃料极生成的电子，不断通过外部负荷回路，再返回空气极。这就实现了燃料电池的发电功能。

    由于PAFC用磷酸作电解质，可容许燃料气体和空气中CO2的存在，使它最早成为地面上及民用的燃料电池。与AFC相比，它的燃料气和空气处理系统大为简化。加压运行时，还可以组成热电联产。但它的发电效率较低，仅能达到45%，而且它也需要铂（Pt）贵金属作催化剂。燃料气体的CO浓度必须低于1~2 %，防止催化剂中毒。酸性电解质液的腐蚀性也使PAFC寿命较低（约4万小时）。目前PAFC已商品化，可作为小功率电源，供移动电源及备用电源应用。但要用于大容量集中发电站比较困难。

    PEMFC的运行温度低（约80篊），启动时间短，与PCFC相比，电流密度、比功率、发电效率、CO容许含量都较高，具有寿命较长，运行可靠的特点。它是理想的可移动电源，是车用燃料电池方案的理想选择，但也不适用于中心电站。