鹼性燃料電池

鹼性燃料電池（alkaline fuel cell，AFC）是第一個燃料電池技術的發展，最初由美國航空航天局的太空計畫，同時生產電力和水的太空飛行器上。AFCS繼續使用NASA太空梭上的整個程式中，除了數量有限的商業套用。

基本介紹

• 中文名：鹼性燃料電池
• 外文名：alkaline fuel cell，AFC
• 意義：燃料電池技術的發展
• 作用：太空梭
• 使用：催化劑
• 學科：電子工程

簡介

電動車輛和規模化儲能等新能源產業的發展，以及高性能攜帶型電子設備的進步，迫切需要高效、清潔的電化學儲能系統。目前廣泛使用的鋰離子電池的能量密度已接近理論極限，無法滿足對儲能系統的迫切要求。因此，全世界都在積極探索下一代的電化學儲能系統。

燃料電池（fuel cells，FC）是一種可以將儲存在燃料和氧氣中的化學能直接轉化為電能的電化學儲能裝置。普通的內燃機由於需要經歷熱機過程，受卡諾循環的限制，其能量轉化率大多低於 15%，燃料電池不受此限制，因而具有很高的能量轉化率，一般為 40%~60%，如果將餘熱充分利用，甚至可以高達 90%。此外，燃料電池在工作時，其反應產物一般只有 H₂O 和CO₂，很少會排放出 NO_x和 SO_x，

因而不會污染環境，是新一代的綠色能源。燃料電池在工作時排出的二氧化碳量，也低於傳統火力發電廠的 60%。可見，燃料電池對解決目前全世界所面臨的能源安全(Energy Security)和環境保護(Environment Protection)兩大難題都具有極其重要的意義。同時，燃料電池由於具有高效、綠色、安全等優點，被認為是 21 世紀的新能源之星。

目前，國內外學者對已研究開發出來的燃料電池，按照電解質的種類進行分類，主要分為 5 種：鹼性燃料電池（AFC），一般用 6~8 mol·L^-1的 KOH 溶液作為電解質；磷酸型燃料電池（PAFC），大多以質量分數為 98wt%左右的濃 H₃PO₄溶液為電解質；熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC），大多將 Li₂CO₃和 K₂CO₃按一定比例混合後作為電解質；質子交換膜燃料電池（PEMFC），通常採用美國 Du Pont 公司生產的 Nafion 膜作為電解質；固體氧化物燃料電池（SOFC），採用 YSZ（Y₂O₃摻雜穩定的 Zr O₂）等作為氧離子導體。

在眾多類型的燃料電池中，鹼性燃料電池(AFC)技術是最成熟的。從 20 世紀60 年代到 80 年代，國內外學者深入廣泛地研究並開發了鹼性燃料電池。但是在80 年代以後，由於新的燃料電池技術的出現，例如 PEMFC 使用了更為便捷的固態電解質而且可以有效防止電解液的泄漏，AFC 逐漸褪去了其原有的光彩。但是，通過 PEMFC 和 AFC 之間的對比，不難發現理論上 AFC 的性能要優於 PEMFC，甚至早期的 AFC 系統都可以輸出比現有 PEMFC 系統更高的電流密度。成本分析表明：AFC 系統用於混合動力電動車與 PEMFC 相比要更有優勢。與 PEMFC 相比，AFC 在陰極動力學和降低歐姆極化方面具有很多優勢；鹼性體系中的氧還原反應(ORR)動力學比酸性體系中使用 Pt 催化劑的 H2SO4體系和使用 Ag催化劑的HCl O4體系都要更高。同時，鹼性體系的弱腐蝕性也確保了 AFC 能夠長期工作。AFC 中更快的 ORR 動力學使得非貴金屬以及低價金屬例如 Ag 和 N i 作為催化劑成為可能，這也使得 AFC 與使用 Pt 催化劑為主的 PEMFC 相比更有競爭力。因此，近年來對鹼性燃料電池研究的復甦逐漸凸顯出來。

原理

使用的電解質為水溶液或穩定的氫氧化鉀基質，且電化學反應也與羥基（-OH）從陰極移動到陽極與氫反應生成水和電子略有不同。這些電子是用來為外部電路提供能量，然後才回到陰極與氧和水反應生成更多的羥基離子。

負極反應：2H₂ + 4OH^- → 4 H₂O + 4e^-

正極反應：O₂ + 2H₂O + 4 e^- → 4OH^-

鹼性燃料電池的工作溫度大約80℃。因此，它們的啟動也很快，但其電力密度卻比質子交換膜燃料電池的密度低十來倍，在汽車中使用顯得相當笨拙。不過，它們是燃料電池中生產成本最低的一種電池，因此可用於小型的固定發電裝置。

如同質子交換膜燃料電池一樣，鹼性燃料電池對能污染催化劑的一氧化碳和其它雜質也非常敏感。此外，其原料不能含有二氧化碳，因為二氧化碳能與氫氧化鉀電解質反應生成碳酸鉀，降低電池的性能。

AFC 陽極電催化劑的研究進展

電催化劑是燃料電池的關鍵組成部分，其性能高低直接決定了燃料電池的工作性能。燃料電池對電催化劑的基本要求為：（1）對電化學反應具有很高的催化活性，能夠加速電化學反應的進行；（2）對反應的催化作用具有選擇性，即只對反應物轉化為目標產物的反應具有催化作用，對其他副反應並無催化作用；（3）具有良好的電子導電性，有利於電化學反應過程中電荷的快速轉移，從而降低電池內阻；（4）具有優良的電化學穩定性，從而保證其使用壽命。目前國內外學者已將很多材料用於鹼性燃料電池陽極電催化劑，主要包括Pt基、Pd基、Au基及非貴金屬催化劑等。

AFC 陰極電催化劑的研究進展

鹼性燃料電池陰極主要為氧還原反應（ORR），由於反應中牽涉到 4 個電子的轉移步驟，還有 O-O 鍵的斷裂，易出現中間價態粒子，如 HO2-和中間價態含氧物種等問題，因此 AFC 中陰極的氧還原反應是一個很複雜的過程。目前關於 ORR的真實反應途徑尚不清楚，研究人員普遍認為主要有以下兩種途徑：

（i） 直接四電子途徑：O₂+ 2H₂O + 4 e^-→ 4OH^-

（ii） 二電子途徑： O₂+ H₂O + 2e^-→ HO₂^-+OH^-

HO₂^- + H₂O+ 2e^-+→ 3OH^-

從動力學理論上說，鹼性體系中的氧還原反應（ORR）速率要比酸性體系中更快一些。正是由於鹼性體系中ORR速率較酸性體系更快，使得大量的材料得以用作AFC陰極催化劑，主要包括Pt基、Pd基、Ag基及非貴金屬催化劑等。

催化劑的性能衰減機制

目前關於鹼性體系中催化劑的性能衰減機制尚無相關研究，但是在PEMFC中關於Pt催化劑性能衰減機制方面，國內外學者已經進行了大量研究工作，目前研究人員普遍認為，在PEMFC的工作環境下，Pt催化劑性能衰減的主要原因有：碳載體被腐蝕，導致Pt從載體上脫落；Pt顆粒的溶解-再沉積；Pt顆粒在碳載體表面的團聚。