燃料电池的种类

1、碱性氢氧燃料电池(AFC)
    碱性燃料电池是以氢氧化钾或氢氧化钠为电解质,导电离子是OH- ，反应原理为：阴极：H2 + 2OH- -- 2H2O + 2e-
　　  阳极：1/2O2 + H2O + 2e- -- 2OH-
　　  总反应：H2 + 1/2O2 = H2O 
    使用的电催化剂主要是贵金属(如铂、钯、金、银等) 和过渡金属(如镍、钴、锰等)或者由它们组成的合金。其电极结构主要有双孔结构电极和粘结型憎水电极等气体扩散电极，双孔结构电极由培根发明，其粗孔层通向气室、细孔层与电解质接触，电子依靠构成粗孔层和细孔层两者的雷尼金属骨架进行传导，离子与水在电解液薄膜与细孔层内的电解液中进行传递；粘结型憎水电极是将亲水并且具有电子传导能力的电催化剂与具有憎水作用和一定粘结能力的防水剂按一定比例混合制成的具有一定厚度的电极，由防水剂构成的憎水网络为反应气的进入提了电极内部的扩散通道，由电催化剂构成的能被电解液完全浸润的亲水网络为其提供水与导电离子OH-的通道。
    碱性燃料电池与其他燃料电池相比，其显著的优点是能量转化效率高，可高达60%~70%。这是由于在碱性介质中氧的还原反应在相同电催化剂（如Pt 、Pt/C）上的反应速度比在其他电池中高的缘故。第二个优点是它可用非铂电催化剂，从而降低了电催化剂的成本。第三个优点是镍在碱性介质和电池的工作温度下化学性质稳定，因此可以采用镍板或镀镍金属板作双极板。但其缺点是，采用空气作氧化剂必须对其进行净化清除空气中百万分之几的二氧化碳，当以各种烃类的重整气作燃料时也必须清除气体中的二氧化碳，这样就导致了电池系统的复杂化，成本增高。
    培根型中温(200～250 ℃) 碱性燃料电池是阿波罗登月飞船上的主电源,迄今已应用了几十年,被证明为安全可靠的电源。英国的电力储存公司曾用4KW碱性电池(重约286 Kg) 。以气瓶装高压氢、氧为气源,设计、组装并试验了电拖车。美国通用汽车公司利用32KW 的碱性电池,以液氢、液氧为气源,设计、制造并试验了面包车。整车重约3200Kg。重量比内燃机车增加近一倍多。2000年,大连化学物理所成功研制了百瓦级再生氢氧燃料电池。目前新一代的碱性燃料电池正在研制开发中。AFC 技术高度发展, 并已在航天飞行中获得成功应用。当AFC 用于载人航天飞行时, 电池反应生成的水经过净化可供宇航员饮用；其供氧分系统还可与生保系统互为备份。美国已成功地将Bacon型AFC 用于Apollo 登月飞行； 石棉模型AFC 用于航天飞机, 作为机上主电源。

2、磷酸型燃料电池(PAFC)

    磷酸型燃料电池(PAFC)是以磷酸为电解质的氢氧燃料电池，它用天然气重整富氢气体为燃料, 空气作氧化剂, 以浸有浓H3PO4 的SiO2 微孔膜作电解质,Pt-C 为电催化剂, 产生的直流电经直交变换以交流形式供给用户。电池反应为：

阴极反应：H2 → 2H+ + 2e-
  阳极反应：1/2O2 + 2H+ + 2e- → H2O
  总反应：　H2　+　1/2O2　→　H2O
  PAFC 是高度发展的民用技术。50kW～ 200kW PAFC 可供现场应用, 1000kW 以上PAFC 可作为区域性电站应用。日本东京4500kW PAFC电厂的成功运行, 不但推进了民用FC 发展, 而且加速了PAF实用化。据报道, 目前有91台200kW PC25 正在北美、日本与欧洲运行, 最长的已运行37000h。实际应用证明PAFC 是高度可靠的电源, 可作为医院、计算机站的不间断电源。由于PAFC 热电效率仅有40% 左右, 余热仅200℃, 利用价值低; 又因它启动时间长, 不适于作移动动力源。近年国际上研究工作减少, 寄希望于批量生产降低售价。国内魏子栋等人进行P t3 (FeCo).C 氧还原电催化剂研究,并提出了Fe、Co 对P t 的锚定效应。

3、熔融碳酸盐型燃料电池(MCFC)

    MCFC 的工作温度在650℃～700℃, 以浸有(K、L i)CO3的LiAlO2 隔膜为电解质, 电催化剂无需使用贵金属, 而以雷尼镍和氧化镍为主；它可用净化煤气或天然气为燃料。与其他燃料电池的区别是：在阴极二氧化碳作为反应物，在阳极二氧化碳作为产物，从而二氧化碳在电池工作过程中构成了一个循环。电极反应如下：
  阴极反应：O2 + 2CO2 + 4e- → 2CO32-
  阳极反应：2H2 + 2CO32- → 2CO2 + 2H2O + 4e-
　　  总反应：　O2　+　2H2　→　2H2O
它的电池隔膜与电极采用带铸方法制备，工艺成熟易于大批量生产。若应用基础研究能成功的解决电池关键材料的腐蚀问题，将是电池使用寿命从现在的1~2万h延长到4万h。熔融碳酸盐燃料电池可作为分散型电站或中心电站将迅速进入发电设备市场。100kW～1000kW 电厂试验和发展研究主要在美国、日本和西欧进行。

4、固体氧化物燃料电池（SOFC）

    和其它燃料电池不同，固体氧化物燃料电池的反应原理是：
  阴极反应：O2 + 4e- → 2O2-
  阳极反应：2O2- + 2H2 → 2H2O + 4e-
  总反应：　2H2　+　O2　→　2H2O
    在SOFC 中, 采用固体氧化物氧离子(O2- )导体(如最常用的Y2O3 稳定的氧化锆, 简称YSZ) 作电解质起传递O2-和分离空气、燃料的双重作用。这类氧化物由于掺杂了不同价态的金属离子，为了保持整体的电中性，晶格内产生大量的氧空位。在高温下(> 750℃)，这类掺杂氧化物具有足够高的O2- 离子导电性能[ 4]。由于采用这种高温氧化物固体电解质, 和其它类型的燃料电池相比, SOFC 具有许多显著优点[ 5～6]。比如，由于是全固体的电池结构，避免了使用液态电解质所带来的腐蚀和电解液流失等问题；高的工作温度(900～1000℃) , 使电极反应过程相当迅速，无须采用贵金属电极，因而电池成本大大下降；同时高温工作电池排出的高质量余热可充分利用，既可用于取暖也可与蒸汽轮机联用循环发电，能量综合利用效率可从单纯60%电效率提高到80%以上。最突出的优点是燃料适用范围广，不仅可以用H2、CO等燃料，而且可直接用天然气、煤气化气和其它碳氢化合物作为燃料。目前SOFC 的主要问题是电池组装相对困难，其中由高温引起的技术难题较多。近几年随着SOFC 材料和组装技术的发展，SOFC有希望成为将来集中或分散发电的新技术。