碱性燃料电池的应用与发展

碱性燃料电池（alkaline fuel cell，AFC）采用如KOH、NaOH之类的强碱性溶液做电解质，传导电极之间的离子，由于电解液为碱性，与PEMFC不同的是在电介质内部传输的离子导体为氢氧离子OH-。碱性燃料电池是最早进入实用阶段的燃料电池之一，也是最早用于车辆的燃料电池。1959年驱动叉车的培根（Bacon）型中温、中压氢氧燃料电池就是AFC。可以说，AFC是目前技术最成熟的燃料电池之一。当然，其也是技术发展最快的一种燃料电池，主要应用于航天相关产业，包括为航天飞机提供动力和饮用水。

以氢氧作燃料的AFC，氢气为燃料，纯氧或脱除微量二氧化碳的空气为氧化剂［18-20］。氧化极的电催化剂采用对氧电化学还原具有良好催化活性的Pt/C、Ag、Ag-Au、Ni等，并将其制备成多孔气体扩散电极；氢电极的电催化剂采用具有良好催化氢电化学氧化的Pt-Pd/C、Pt/C、Ni或硼化镍等，并将其制备成多孔气体电极。双极板材料采用无孔碳板、镍板或镀镍甚至镀银、镀金的各种金属（如铝、镁、铁）板，在板面上可加工各种形状的气体流动通道构成双极板。以氢氧作燃料的AFC，其工作原理如图4-5所示。

在阳极，氢气与电解液中的OH-在电催化剂的作用下，发生氧化反应生成水和电子，电子通过外电路达到阴极，在阴极电催化剂的作用下，参与氧的还原反应，生成的OH-通过饱浸碱液的多孔石棉迁移到氢电极。其阳极发生的电化学反应如下：H2+2OH-　　—→2H2 O+2e-；阴极发生的电化学反应为：O2+2e-+H2　—→OH-。总的电池电化学反应为O2+H2　—→H2 O。

图4-5　石棉膜型碱性氢氧燃料电池单电池的工作原理

上述反应不同于酸性燃料电池的另一点是水在氢电极处生成。为防止稀释电解质，阳极侧生成的水要及时排除。此外，在阴极处，氧的还原又需要水。水的管理问题通常按电极防水性和在电解液中保持含水量的需求予以分解。阴极反应从电解液中消耗水，而阳极反应则排出其水生成物。过剩的水在燃料电池堆汽化。AFC可分为多孔基体型及自由电解液型两类。前者是将电解液吸附在作为电极间隔离层的多孔性材料中。后者将电解液存于空室内，外设循环系统，将反应生成的热及水散发掉。AFC与其他类型燃料电池相比，具有以下优点。

（1）碱性燃料电池可以在一个宽温度（80～230℃）和宽压力［（2.2～45）×105Pa］范围内运行。因其可以在较低的温度（大约80℃）下运行，故它的启动很快，但其电力密度却比质子交换膜燃料电池的密度低十几倍。

（2）AFC具有较高的效率（50%～55%）。因由氢氧电解液所提供的快速动力学效应，故碱性燃料电池可获得很高的效率。尤其是氧的反应（O2-＞OH-）比酸性燃料电池中氧的还原反应容易得多，因此，活性损耗非常低。

（3）性能可靠，可用非贵金属作催化剂，是燃料电池中生产成本最低的一种电池。碱性燃料电池中的快速动力学效应使银或镍可用以替代铂作为催化剂。其电池本体可以用价格低的耐碱塑料制作，且使用的是廉价的电解液。这样，碱性燃料电池堆的成本显著下降。

（4）通过电解液完全的循环，电解液可当作冷却介质，易于热管理。更为均匀的电解液的集聚，解决了阴极周围电解液浓度分布问题；提供了利用电解液进行水管理的可能性。若电解液已被二氧化碳过度污染则有替换电解液的可能性。当电解液循环时，燃料电池可称为“动态电解液的燃料电池”，这种循环使碱性燃料电池动力学特性得到了进一步的改善。

碱性燃料电池的主要缺点如下。

（1）碱性燃料电池最大的问题在于二氧化碳的毒化［20］。电池对燃料中CO2敏感，碱性电解液对二氧化碳具有显著的化合力，电解液与CO2接触会生成碳酸根离子（CO2-3），这些离子并不参与燃料电池反应，且削弱了燃料电池的性能，影响输出功率；碳酸的沉积和阻塞电极也将是一种可能的风险，这一问题最终可通过电解液的循环予以处理。使用二氧化碳除气器是增加成本和复杂度的解决方法，它将从空气流中排除二氧化碳气体。

（2）循环电解液的利用，增加了泄漏的风险。氢氧化钾是高腐蚀性的，具有自然渗漏的能力，甚至有透过密封的可能性，具有一定的危险性，且容易造成环境污染。此外，循环泵和热交换器的结构以及最后的汽化器更为复杂。另一问题在于，如果电解液被过于循环或单元电池没有完善地绝缘，则在两单元电池间将存在内部电解质短路的风险。

（3）需要冷却装置维护其较低的工作温度。(www.xing528.com)

AFC部件主要由电极、电解质组成。

（1）电极。对于碱性燃料电池电极而言，其一般有下列要求：

①良好的导电能力以降低欧姆电阻。

②充分的机械稳定性和适当的孔隙率。

③在碱性电解质中的化学稳定性。

④长期的电化学稳定性，包括催化剂的稳定性和与电极组成一体后的稳定性。阳极和阴极的类型及制作方式是与所选择的催化剂相关的，不像PAFC、AFC不仅贵金属适用，非贵金属也适用。

催化剂主要分为以下两种，即贵金属催化剂是铂或铂合金等以颗粒状形式沉积于碳载体上或作为镍基金属电极的一部分，而非贵金属催化剂则常采用雷尼（Raney）镍粉末做阳极催化剂，银基催化剂粉末为阴极催化剂。另一重要性质是电极材料的亲水性和疏水性。亲水电极通常是金属电极，而在碳基电极中加入PTFE（聚四氟乙烯）可以调整电极的润湿性，因而以含PTFE催化层的适当构造来维持其足够的疏水性对于保持疏水电极的寿命是很重要的。此外，通常电极材料由几个不同孔积率层构成，以使液体电解质、气体燃料（氢）或氧化剂（空气或氧）按要求留在其内或流过电极。电极技术的关键就在于制造这样的电极或者电极中的某一层，通常是将粉末混合后压在膜上，沉积技术、喷涂技术以及高温烧结等都可用来保证其良好的工艺稳定性。

（2）电解质。到目前为止，AFC使用的电解质是高纯度的KOH水溶液，浓度为6～8mol/L，以防止催化剂中毒。按照其流动方式可分为循环和静止两种类型。电解质采用循环系统，其主要有以下优点：

①循环的电解质可以为电池提供一个冷却系统。

②电解质被不断地搅拌和混合，阳极产生水、阴极消耗水，由此会导致电极周围电解质浓度的变化和不均匀，可通过搅拌解决这个问题。

③电解质循环就可以使产生的水进入循环，而无需在阳极蒸发。

④如果电解质与CO2反应过多，可以用新溶液来更换。

其缺点是必须增加一些附加设施，如泵、管道等，因为碱性物质的强腐蚀性，且容易泄漏。在静止电解质中，KOH溶液放在一种基体材料中，基体材料通常使用石棉，这种材料有很好的孔隙度、强度和抗腐蚀性。故电解质不需要循环处理，同时也就没有内部“短路”的问题。而其问题在于如何处理产生的水、补充蒸发掉的水，尤其水又是阴极所需要的。水的问题与PEMFC非常相似，设计电池时必须使阳极的水扩散、使阴极水的含量足够多。通常碱性燃料电池的水问题不如PEMFC电池那么严重。其原因之一是随着温度的升高KOH溶液的蒸气压不像纯水升得那么快，也就是说蒸气含量是很少的。然而，在陆地应用中，由于会发生CO2污染电解质，故需要更新电解质，对这种基体的燃料电池就需要彻底地重新制造。同时应用石棉对身体也是有害的，它在一些国家是禁止使用的。

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化学反应使得AFC几乎不能使用液体燃料。碱性电解质对燃料气中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。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。为了保持电解质浓度需进行适当控制，从而导致系统复杂化，比如，对含碳燃料AFC系统中配备CO2脱除装置的改进措施。