碱性燃料电池

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1、碱性燃料电池AlkalineFuelCells(AFC)一.概述碱性燃料电池(AFC)是燃料电池系统中最早开发并获得成功应用的一种。美国阿波罗登月宇宙飞船及航天飞机上即采用碱性燃料电池作为动力电源。实际飞行结果表明，AFC作为宇宙探测飞行等特殊用途的动力电源已经达到了实用化阶段。在过去相当长的一段时期内，AFC系统的研究范围涉及不同温度、燃料等各种情况下的电池结构、材料与电性能等。根据电池工作温度不同，AFC系统可分为中温型与低温型两种。前者以培根中温燃料电池为代表，它由英国培根(F．T．Bacon)研制，工作温

2、度约为523K，阿波罗登月飞船上使用的AFC系统就属于这一类型。低温型APC系统的工作温度低于373K，是现在AFC系统研究与开发的重点。其应用目标是便携式电源及交通工具用动力电源。在燃料电池系统中采用液体燃料是吸引各种商业用户的有效途径之一。因为液体燃料储运方便，易处置。曾经考虑用作AFC系统的液体燃料有阱（N2H4）、液氨、甲醇和烃类。由于AFC系统通常以KOH溶液作为电解质，KOH与某些燃料可能产生的化学反应使得AFC几乎不能使用液体燃料。液体燃料在进入AFC电池堆之前必须进行预处理。阱（N2H4）在AFC

3、阳极上易分解成氢气和氯气，其电极反应可能是：实验结果表明，以阱为燃料的AFC电性能与氢氧AFC电性能差不多相等。有人认为这两种燃料的电化学过程实际上是相同的，阱仅仅起到氢气源的作用。阱在AFC阳极表面分解的同时还可能产生对电极性能有害的氨。在阱电池中，电解液是连续循环的，并在循环过程中添加水合阱使浓度大体上维持恒定，这种循环也有助于除去电池工作中产生的氮气。排出的氮气中会带一些阱蒸汽，由于阱有毒且易爆，故须使废气通过乙醛或硫酸以除去其中的阱。电池反应产生的水也大部分随氮气一起排出。电池的氧化剂曾采用纯氧、空气或H

4、2O2等。若以空气代替纯氧，会大大增加排出气体中氮气的流量，使电池输出功率显著降低。在五六十年代，阱-空气燃料电池曾作为军用电源大力开发。这种电池最主要的缺点是阱具有极高毒性、价格昂贵。而且，这种电池系统需要大量辅助设备，这不仅需要消耗电池所产生功率中的相当大一部分，而且在电池正常工作前必须启动这些辅助设备。因此，尽管在理论上阱氧化产生的能量比大多数其他燃料要大得多，但阱电池在商业上似乎不大可能有什么重要用途。到了70年代，阱-空气燃料电池基本上停止了研究。除了阱-空气燃料电池，曾研究过的AFC系统还有氨-空气燃

5、料电池。从长远的眼光来看，阱、液氨作为AFC的燃料是不可行的。目前，最具潜力的液体燃料是烃类、甲醇等。下面主要讨论以氢、烃为燃料的AFC系统。二.原理与特点AFC的原理：AFC采用有限电解质溶液的措施来维持稳定的三相界面。通常，电解质采用30％一45％的KOH溶液。与PAFC不同的是，在电解质内部传输的离子导体为OH-，由于阳、阴极的电极反应不同，所以在阳极一侧生成水。下图为AFC的基本工作原理图。以氢氧燃料电池为例，碱性燃料电池电极反应为:阳极侧生成的水必须及时排除，以免将电解质溶液稀释或淹没多孔气体扩散电极。

6、由于阴极(氧电极)的极化损失要比PAFC等酸性电解质电池小，因而可以获得很高的电流效率。AFC的工作温度一般维持在333~353K，当工作温度低于288K时，电池性能明显下降。电池的工作压力维持在0.4~0.5MPa。2.特点由于AFC的工作温度在373K以下，电池本体结构材料选择广泛，可以使用低廉的耐碱塑料。这些材料可用注塑成型工艺，使电池造价降低。从耐电解液性能方面来看，可以不用贵金属铂系催化剂。例如，阳极可采用镍系催化剂，既降低成本又能获得机械强度高的结构。阴极可采用银系催化剂。AFC在室温下操作，瞬间便能

7、输出部分负荷，5分钟内便可达到额定负荷。低温下氧还原时，电极极化损失小。采用KOH等碱性溶液作电解质的不利之处是，电池对燃料气中CO2十分敏感，一旦电解液与含CO2的气流接触，电解液中会生成碳酸根离子，若含量超过30％，电池输出功率将急剧下降。因此，对含碳燃料AFC系统中应配CO2脱除装置。另外，为了保持电解质浓度需进行适当控制，导致系统复杂化。由于AFC工作温度低，电池冷却装置中冷却剂进出口温差小，冷却装置需有较大体积，废热利用也受到限制。3电池系统基本构成1）电池结构电池结构大致分为使电解液保持在多孔质基体中

8、的基体型和自由电解液型。基体型AFC具有调节增减电解液用量的储液部件，装有冷却板并构成叠层结构。典型的电解液保持体材料有石棉膜。早期的AFC系统多采用饱吸KOH溶液的石棉膜作电解质隔膜，由美国爱立斯—查默尔斯(A11is—Chalmers)公司率先研制，并已应用于航天飞机的燃料电池中。石棉膜在KOH溶液中有一定程度的侵蚀。下图为静态排水的氢氧隔膜型碱性燃料电池单体示意图。