淺談燃料電池類型 1-PEM/AFC/MCFC

2024-05-23 09:54:25· 來源：TechPlus工坊

目前已開發(fā)出各種類型的燃料電池。它們一般根據(jù)所使用的電解質(zhì)進(jìn)行分類，電解質(zhì)決定了系統(tǒng)的工作溫度，并在一定程度上決定了電池性能。

聚合物電解質(zhì)膜燃料電池（PEM）

聚合物電解質(zhì)膜燃料電池（PEM）又稱質(zhì)子交換膜燃料電池，與其他燃料電池相比，具有功率密度高、重量輕、體積小等優(yōu)點。PEM 燃料電池使用固體聚合物作為電解質(zhì)，并使用含有鉑或鉑合金催化劑的多孔碳電極。它們只需要?dú)錃狻⒖諝庵械难鯕夂退纯晒ぷ?。它們通常使用儲氫罐或重整器提供的純氫作為燃料?

PEM 燃料電池的工作溫度相對較低，約為 80°C（176°F）。低溫運(yùn)行使其能夠快速啟動（預(yù)熱時間較短），并減少系統(tǒng)部件的磨損，從而提高耐用性。不過，這需要使用貴金屬催化劑（通常為鉑）來分離氫的電子和質(zhì)子，從而增加了系統(tǒng)成本。鉑催化劑對一氧化碳中毒也極為敏感，因此，如果氫氣來自碳?xì)浠衔锶剂?，就必須使用額外的反應(yīng)器來減少燃料氣體中的一氧化碳。這種反應(yīng)器也會增加成本。

PEM 燃料電池主要用于運(yùn)輸應(yīng)用和一些固定應(yīng)用。PEM 燃料電池尤其適用于汽車應(yīng)用，如轎車、公共汽車和重型卡車。

優(yōu)點

固體電解質(zhì)減少腐蝕&電解質(zhì)管理問題

低溫性能優(yōu)異

快速啟動和負(fù)載跟隨性能好

缺點

催化劑昂貴

對燃料雜質(zhì)非常敏感

堿性燃料電池（AFC）

堿性燃料電池（AFC）是最早開發(fā)的燃料電池技術(shù)之一，顧名思義，堿性燃料電池的電解質(zhì)是氫氧化鈉或氫氧化鉀水溶液。燃料是氫氣，氧化劑是氧氣（或空氣中的氧）。堿性燃料電池（AFC）的工作溫度一般低于 100 °C。電極由碳和鎳等金屬制成。

近年來，使用聚合物膜作為電解質(zhì)的新型 AFC 得到了發(fā)展。這些燃料電池與傳統(tǒng)的 PEM 燃料電池類似，不同之處在于它們使用的是堿性膜而不是酸性膜。AFC 電池中電化學(xué)反應(yīng)速度快，所以性能優(yōu)異。

這種燃料電池面臨的一個主要挑戰(zhàn)是容易受到二氧化碳（CO2）的毒害?？諝庵泻卸趸?，會導(dǎo)致電池內(nèi)部形成碳酸鹽，這會極大地影響電池的性能和壽命。

優(yōu)點

原材料來源廣泛，成本低

低溫性能優(yōu)異

支持快速啟動

缺點

對燃料和空氣中的二氧化碳敏感

電解質(zhì)中成分需要及時調(diào)節(jié)（水和聚合物）

熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）

熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）是一種高溫燃料電池，這種類型的燃料電池的運(yùn)行方式與前面的燃料電池截然不同。燃料由水和化石燃料產(chǎn)生的氫氣和一氧化碳混合物組成。電解質(zhì)為熔融碳酸鋰鉀，工作溫度約為 650 °C（1,200 °F）。升溫到工作溫度可能需要幾個小時，因此這些電池不適合用于汽車。在大多數(shù)情況下，電極以金屬為基礎(chǔ)，電池首先將氫氣和一氧化碳與碳酸鹽電解質(zhì)結(jié)合，然后與氧氣結(jié)合，產(chǎn)生水蒸氣和二氧化碳反應(yīng)產(chǎn)物。

與磷酸燃料電池相比，MCFC 能顯著提高效率，降低成本。熔融碳酸鹽燃料電池與渦輪機(jī)配合使用時，效率可接近 65%，大大高于磷酸燃料電池發(fā)電廠 37%-42% 的效率。當(dāng)余熱被收集和利用時，整體燃料效率可超過 85%。

與堿性、磷酸和 PEM 燃料電池不同，MCFC 不需要外部重整器來將天然氣和沼氣等燃料轉(zhuǎn)化為氫氣。在 MCFC 運(yùn)行的高溫條件下，這些燃料中的甲烷和其他輕碳?xì)浠衔飼谌剂想姵貎?nèi)部通過一種稱為內(nèi)部重整的過程轉(zhuǎn)化為氫氣，這也降低了成本。

目前 MCFC 技術(shù)的主要缺點是耐用性。這些電池工作時的高溫和所使用的腐蝕性電解液會加速部件的老化和腐蝕，從而縮短電池的使用壽命。