基于质子交换膜燃料电池燃料互换使用的分类及特点

下面1用图片简单介绍了各类燃料电池所使用的燃料，以及简单的结构说明和工作温度； 图2用表格向读者呈现了各类燃料电池所需的电解液、工作温度、燃料等。 以及优点和缺点。

图1：一些常见类型的燃料电池系统示意图

图 2：一些常见类型的燃料电池系统和运行特性

1.聚合物电解质膜燃料电池（PEMFC - Fuel Cells）

聚合物电解质膜燃料电池（PEMFC）的高功率密度和轻重量使其成为比其他类型燃料电池更受欢迎的选择。 也是商业应用最常见、推广最广泛的技术路线。 该名称可与质子交换膜燃料电池互换使用，这里还特指低温燃料电池（LT-PEM）。 固体聚合物电解质和带有铂或铂合金催化剂的碳电极使这些燃料电池仅使用氢气和氧气（空气）。

通常，质子交换膜燃料电池使用来自储罐或重整器的纯氢（99.99%+）作为燃料。 这些燃料电池在较低的温度（约 80°C (176°F)）下运行，从而缩短启动时间并减少系统组件的磨损，这意味着更好的耐用性。 然而，使用铂等贵金属催化剂会增加系统成本。

虽然质子交换膜燃料电池主要用于运输目的，但它们也可用于固定发电热电联产应用。 它们特别适合公共汽车、轿车和重型卡车等车辆应用。 具有代表性的企业有很多，如日本丰田、韩国现代、巴拉德等，国内企业更是不胜枚举。 具体结构原理如下图3所示：

图3：PEMFC原理结构示意图

2.直接甲醇燃料电池（DMFC-燃料电池）

大多数燃料电池由氢气提供动力，氢气可以直接供应到系统，也可以通过重整甲醇、乙醇或碳氢化合物等富氢燃料来生产。 然而，DMFC（直接甲醇燃料电池）的运行完全基于 100% 甲醇，通常在直接注入燃料电池阳极之前与水混合。 DMFC 不会遇到其他燃料电池系统常见的燃料存储困难，因为甲醇的能量密度比氢更高（尽管低于汽油或柴油燃料）。

此外，甲醇是一种液体，很像汽油，这使得它更容易通过现有基础设施运输和分配。 DMFC 通常用于便携式燃料电池应用，例如手机和笔记本电脑。 目前，一些公司正在做商业推广，特别是在军工、基站等场景。 结构原理如下图4所示：

图4：直接甲醇燃料电池（DMFC）结构及原理示意图

3.碱性燃料电池（AFC-燃料电池）

碱性电解水（AEC）大家都很熟悉，但是碱性燃料电池（AFC）大家可能比较陌生，但AFC是最早发明的燃料电池技术之一，广泛应用于美国太空计划中，在航天器上发电。 和水。 使用氢氧化钾和水的溶液作为电解质，从而可以在阳极和阴极上自由使用大量非贵金属催化剂。

最近，出现了使用聚合物膜作为电解质的新型AFC。 这些燃料电池与传统的质子交换膜燃料电池类似，但使用碱性膜而不是酸性膜。 碱性燃料电池（AFC）的主要障碍之一是它们容易受到二氧化碳（CO2）中毒的影响。 即使空气中微量的二氧化碳也会产生碳酸盐沉积物，严重影响电池的效率和使用寿命。 虽然使用液体电解质的 AFC 可以在再循环模式下运行以再生电解质并减少碳酸盐的形成，但这种模式会引入分流电流和其他问题，例如润湿性、腐蚀和压差处理。 碱性膜燃料电池（AMFC）解决了这些问题，并且比使用液体电解质的 AFC 更不易受到二氧化碳中毒的影响。 然而，二氧化碳仍然影响其性能，目前它们在性能和耐用性方面都落后于质子交换膜燃料电池（PEMFC）。

目前正在研究 AMFC 在数瓦至数千瓦范围内的潜在用途。 然而，在实际应用中，需要解决一些挑战，例如对二氧化碳的耐受性、膜电导率和耐久性。 商业推广薄弱，知名企业不知名。 下图5是AFC的结构原理示意图。

图5：碱性燃料电池（AFC）结构原理示意图

4.磷酸燃料电池（PAFCs——Acid Fuel Cells）

磷酸燃料电池（PAFC）是以液体磷酸为电解质的电池，其被包裹在碳化硅基体中并与聚四氟乙烯（PTFE）粘合。 电极由含有铂催化剂的多孔碳组成，电池中发生的电化学反应如右图1所示。 PAFC 通常被称为“第一代”现代燃料电池，被认为是最成熟的电池类型之一，并且已经在商业上使用了一段时间。

它们主要用于固定发电，但也有为城市公交车等大型车辆提供动力的例子。 与质子交换膜（PEM）电池相比，PAFC 在耐受化石燃料中转化为氢气的杂质方面具有优势。 PEM 电池很容易被一氧化碳“中毒”，一氧化碳会与阳极中的铂催化剂结合，从而降低燃料电池的效率。 相比之下，PAFC 对杂质有一定的容忍度，与热电结合时效率超过 85%。 然而，它们单独发电时的效率较低，效率在 37%-42% 之间。 该效率水平仅略高于燃烧式发电厂，后者的效率通常约为 33%。

此外，与相同重量和体积的其他燃料电池相比，PAFC 的功率较小且体积较大，因此生产成本更高。 制造这些燃料电池需要大量昂贵的铂催化剂，这导致成本更高。 代表企业如韩国斗山()等，主要用于固定发电和无人机。 具体结构原理图如图6所示。

图6：磷酸燃料电池（PAFC）的结构原理示意图，其中电解质是包裹在碳化硅基体中的磷酸。

5.熔融碳酸盐燃料电池（MCFC-燃料电池）

目前正在进行熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）的开发，旨在将其用于天然气和燃煤发电厂，以实现电力、工业和军事领域的各种应用。 这些燃料电池设计在 650°C（或 1200°F）左右的温度下运行，被视为高温燃料电池。 MCFC 中使用的电解质是悬浮在多孔惰性陶瓷锂铝氧化物基质中的熔融碳酸盐。 在高温下操作的好处之一是非贵金属可以用作阳极和阴极的催化剂，这有助于降低成本。

由于效率提高，MCFC 可以显着降低成本。 当与涡轮机结合使用时，这些燃料电池的效率高达 65%，远远超过磷酸燃料电池 37% 至 42% 的效率。 此外，当废热被捕获和利用时，整体燃料效率可超过 85%。 与碱性、磷酸和质子交换膜燃料电池不同，MCFC 不需要外部重整器即可将天然气和沼气等燃料转化为氢气。 相反，燃料电池本身通过内部重整将甲烷和其他轻质烃转化为氢气，从而降低成本。 就目前的技术而言，MCFC 在耐用性方面面临着一个重大缺陷。 高温下的恶劣工作条件和腐蚀性电解质的使用会加速部件的腐蚀和分解，最终缩短电池寿命。

研究人员正在积极研究耐腐蚀材料的使用，并开发燃料电池设计，可以在不牺牲性能的情况下将目前 40,000 小时（约五年）的使用寿命延长一倍。 代表性公司如美国Fuel Cell等，结果示意图如下图7所示。

图7：MCFC（熔融碳酸盐燃料电池）结构原理示意图

六：高温固体氧化物电池（SOFC-Solid Oxide Fuel Cells）

固体氧化物燃料电池 (SOFC) 采用坚硬的无孔陶瓷化合物作为电解质，能够高效地将燃料转化为电能，效率约为 60%。 在热电联产应用中，通过捕获和利用系统的废热，总体燃料使用效率可以超过~84%。 这些燃料电池在高达 1830°F 的高温下运行。

这种高温操作不需要贵金属催化剂，降低了成本。 此外，SOFC 可以在内部对燃料进行重整，从而允许使用各种燃料并减少与在系统中添加转换器相关的费用。 固体氧化物燃料电池（SOFC）比其他类型的燃料电池具有明显的优势。 例如，它们比其他类型的电池能耐受更多的硫，并且对一氧化碳中毒不敏感，这意味着它们可以使用多种燃料运行，例如天然气、沼气和煤衍生气体。

此外，高温操作消除了对贵金属催化剂的需求，使其更便宜。 然而，高温操作带来了挑战，包括启动缓慢和隔热要求，这使得它们不适合运输。 此外，由于高温下的恶劣条件，耐用性是一个关键问题。 因此，开发能够承受这些条件的低成本材料至关重要。 一种有前途的方法是开发温度较低的 SOFC，它具有较少的耐用性问题和较低的运营成本。 虽然这些低温 SOFC 尚未达到与高温系统相同的性能，但科学家目前正在开发可在较低温度范围内运行的材料堆栈。 目前，国内外已有多家相关企业。 具体工作和结构原理如图8所示。

图8：SOFC结构原理示意图

7.可逆燃料电池（RFC——燃料电池）

严格来说，可逆燃料电池并不指特定的技术路线。 目前常见的有碱性可逆、PEM可逆、SOC可逆（指水和燃料电池可逆电解）。 它们的工作原理与其他燃料电池类似，因为它们利用氢、氧和水作为副产品产生电力和热量。 然而，可逆燃料电池系统具有额外的能力，可以利用太阳能和风能等可再生能源的电力进行电解并生产氢和氧燃料。 这意味着可逆燃料电池不仅可以在需要时提供电力，而且当可再生能源技术产生的能量超过当前所需时，它还可以以氢气的形式存储多余的能量。 这种储能潜力对于提高间歇性可再生能源的效率和可靠性至关重要。