下一代儲(chǔ)能電池：六種燃料電池介紹

PEMFC

質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)使用水基的酸性聚合物膜作為其電解質(zhì)，具有鉑基電極。PEMFC電池在相對(duì)低的溫度(低于100攝氏度)下操作并且可以定制電輸出以滿足動(dòng)態(tài)功率需求。由于相對(duì)低的溫度和使用基于貴金屬的電極，這些電池必須在純氫氣下操作。PEMFC電池是目前用于輕型車輛和材料處理車輛的領(lǐng)先技術(shù)，并且在較小程度上用于固定和其它應(yīng)用。PEMFC燃料電池有時(shí)也稱為聚合物電解質(zhì)膜燃料電池(也稱為PEMFC)。

氫燃料在陽(yáng)極處被處理，其中電子與鉑基催化劑的表面上的質(zhì)子分離。質(zhì)子通過(guò)膜到達(dá)電池的陰極側(cè)，同時(shí)電子在外部電路中行進(jìn)，產(chǎn)生電池的電輸出。在陰極側(cè)，另一個(gè)貴金屬電極將質(zhì)子和電子與氧氣結(jié)合以產(chǎn)生水，其作為唯一的廢物排出;氧可以以純化形式提供，或者在電極處直接從空氣中提取。

在升高的溫度下操作的PEMFC的變體被稱為高溫PEMFC(HTPEMFC)。通過(guò)將電解質(zhì)從水基改變?yōu)榛诘V物酸的系統(tǒng)，HTPEMFC可以在高達(dá)200攝氏度下操作。這克服了關(guān)于燃料純度的一些當(dāng)前限制，其中HTPEMFC能夠處理含有少量一氧化碳(CO)的重整產(chǎn)物。還可以通過(guò)消除加濕器來(lái)簡(jiǎn)化設(shè)備的平衡。

HTPEMFCs不優(yōu)于低溫PEMFC;兩種技術(shù)都在其優(yōu)勢(shì)所在的地方找到了利基。下表總結(jié)了兩種PEMFC變量之間的差異：

DMFC

直接甲醇燃料電池(DMFC)是一套相對(duì)較新的燃料電池技術(shù);它是在20世紀(jì)90年代由美國(guó)的幾個(gè)機(jī)構(gòu)的研究人員發(fā)明和開發(fā)的，包括NASA和噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室。它類似于PEM電池，因?yàn)樗褂镁酆衔锬ぷ鳛殡娊赓|(zhì)。然而，DMFC陽(yáng)極上的鉑-釕催化劑能夠從液體甲醇中吸收氫，消除了對(duì)燃料重整器的需要。因此純甲醇可以用作燃料，因此名稱。

甲醇作為燃料提供了幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。它是便宜的，但具有相對(duì)高的能量密度，并且可以容易地運(yùn)輸和儲(chǔ)存。其可以從可以保持充滿的儲(chǔ)液器或者在可以在使用時(shí)快速更換的盒中供應(yīng)到燃料電池單元。

DMFC在60℃至130℃的溫度范圍內(nèi)工作，并且傾向于用于具有適度功率要求的應(yīng)用，例如移動(dòng)電子設(shè)備或充電器和便攜式電源組。在各個(gè)國(guó)家中看到商業(yè)牽引的DMFC的一個(gè)特定應(yīng)用是用于材料搬運(yùn)車輛的DMFC動(dòng)力單元的使用。許多這些單元已經(jīng)銷售到商業(yè)倉(cāng)庫(kù)，其中叉車通常用電池組供電。通過(guò)切換到燃料電池，倉(cāng)庫(kù)可以在幾分鐘內(nèi)為其卡車加油，與為電池充電所需的時(shí)間相比。燃料電池還消除了對(duì)倉(cāng)庫(kù)內(nèi)的電池充電基礎(chǔ)設(shè)施的需要，從而使得更多的占地面積可用于其他用途。

SOFC

固體氧化物燃料電池在非常高的溫度下工作，所有燃料電池類型中的最高溫度在大約800℃至1000℃。在將燃料轉(zhuǎn)化為電能時(shí)，它們的效率可以超過(guò)60%;如果他們產(chǎn)生的熱也被利用;它們將燃料轉(zhuǎn)化為能量的總效率可以超過(guò)80%。

SOFC使用固體陶瓷電解質(zhì)，例如用氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯，而不是液體或膜。它們的高工作溫度意味著燃料可以在燃料電池本身內(nèi)重整，消除了對(duì)外部重整的需要，并允許單元與各種烴燃料一起使用。與其它類型的燃料電池相比，它們還相對(duì)耐燃料中的少量硫，因此可以與煤氣一起使用。

高操作溫度的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是改善了反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，消除了對(duì)金屬催化劑的需要。然而，高溫存在一些缺點(diǎn)：這些電池需要更長(zhǎng)的啟動(dòng)和達(dá)到操作溫度，它們必須由堅(jiān)固的耐熱材料構(gòu)造，并且它們必須被屏蔽以防止熱損失。

SOFC有三種不同的SOFC幾何形狀：平面，共面和微管。在平面設(shè)計(jì)中，部件被組裝成平坦堆疊，其中空氣和氫傳統(tǒng)上通過(guò)內(nèi)置于陽(yáng)極和陰極中的通道流過(guò)單元。在管狀設(shè)計(jì)中，空氣被供應(yīng)到延長(zhǎng)的固體氧化物管(其在一端密封)的內(nèi)部，同時(shí)燃料圍繞管的外部流動(dòng)。管本身形成陰極，并且電池部件圍繞管構(gòu)造成層。

SOFC廣泛地用于大型和小型固定發(fā)電：平面型發(fā)電應(yīng)用于例如BloomEnergy的100千瓦離網(wǎng)發(fā)電機(jī)和具有幾千瓦輸出的SOFC，正在測(cè)試用于較小的熱電聯(lián)產(chǎn)應(yīng)用，例如家用組合熱和功率(CHP)。輸出功率范圍內(nèi)的微管狀SOFC也正在為小型便攜式充電器開發(fā)。

AFC

堿性燃料電池(AFC)是將要開發(fā)的第一種燃料電池技術(shù)之一，并且最初由NASA用于空間計(jì)劃中以在航天器上產(chǎn)生電和水。在整個(gè)計(jì)劃期間，美國(guó)國(guó)家航空航天局繼續(xù)使用美國(guó)宇航局航天飛機(jī)，同時(shí)還有少量商業(yè)應(yīng)用。

AFCs在水中使用堿性電解質(zhì)如氫氧化鉀，并且通常用純氫燃料。第一AFC在100℃和250℃之間操作，但是典型的操作溫度現(xiàn)在約70℃。作為低操作溫度的結(jié)果，不需要在系統(tǒng)中使用鉑催化劑，而是可以使用各種非貴金屬作為催化劑以加速在陽(yáng)極和陰極處發(fā)生的反應(yīng)。鎳是AFC單元中最常用的催化劑。

由于化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的速率，這些電池提供相對(duì)高的燃料對(duì)電轉(zhuǎn)化效率，在一些應(yīng)用中高達(dá)60%。

MCFC

熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)使用懸浮在多孔陶瓷基體中的熔融碳酸鹽作為電解質(zhì)。通常使用的鹽包括碳酸鋰，碳酸鉀和碳酸鈉。

它們?cè)诟邷?，約650℃下操作，并且具有與此相關(guān)的幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。首先，高操作溫度顯著提高反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，因此不需要用貴金屬催化劑提高這些。較高的溫度還使得電池比較低溫度的系統(tǒng)不容易發(fā)生一氧化碳中毒。因此，MCFC系統(tǒng)可以在各種不同的燃料(包括煤衍生的燃料氣體，甲烷或天然氣)上操作，消除了對(duì)外部重整器的需要。

與MCFC單元相關(guān)的缺點(diǎn)源于使用液體電解質(zhì)而不是固體，并且需要在陰極處注入二氧化碳，因?yàn)樘妓岣x子在陽(yáng)極發(fā)生的反應(yīng)中被消耗。還存在高溫腐蝕和電解質(zhì)的腐蝕性質(zhì)的一些問(wèn)題，但是現(xiàn)在可以控制這些問(wèn)題以實(shí)現(xiàn)實(shí)際的壽命。

MCFC用于大型固定發(fā)電。大多數(shù)燃料電池發(fā)電廠的兆瓦容量使用MCFC，大型熱電聯(lián)產(chǎn)(CHP)和聯(lián)合冷卻和電力(CCP)工廠。這些燃料電池可以以高達(dá)60%的燃料電轉(zhuǎn)化效率工作，并且在還利用過(guò)程熱的CHP或CCP應(yīng)用中，整體效率可以超過(guò)80%。

PAFC

磷酸燃料電池(PAFC)由陽(yáng)極和陰極組成，陽(yáng)極和陰極由在碳上的精細(xì)分散的鉑催化劑和保持磷酸電解質(zhì)的碳化硅結(jié)構(gòu)制成。它們相當(dāng)耐一氧化碳中毒，但在生產(chǎn)電力方面往往比其他燃料電池類型具有更低的效率。然而，這些電池在約180℃的適度高溫下操作，并且如果該過(guò)程熱用于熱電聯(lián)產(chǎn)，則總效率可以超過(guò)80%。

這種類型的燃料電池用于具有100kW至400kW范圍的輸出的固定式發(fā)電機(jī)中，以為世界上的許多商業(yè)場(chǎng)所提供動(dòng)力，并且它們也在大型車輛(例如公共汽車)中得到應(yīng)用。在2001年之前出售的大多數(shù)燃料電池單元使用PAFC技術(shù)