碱性燃料电池的工作原理和特点分析

(1)碱性燃料电池的结构及工作原理

碱性燃料电池(alkaline fuel cell，AFC)采用如KOH、NaOH之类的强碱性溶液作电解质，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(AFC)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。

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。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。其阳极和阴极发生的电化学反应如下。

 

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。

 

石棉膜型碱性氢氧燃料电池单电池的工作原理

AFC可分为多孔基体型及自由电解液型两类．前者是将电解液吸在作为电极间隔离层的多孔性材料中。后者电解液存于空室内，外设循环系统，将反应生成的热及水散发掉。

(2)碱性燃料电池的优点

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，故它的启动也很快，但其电力密度却比质子交换膜燃料电池的密度低十几倍。

②AFC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，电解液被用作冷却介质，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，燃料电池被称为“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。

(3)碱性燃料电池的主要缺点

① 碱性燃料电池最大的问题在于二氧化碳的毒化。电池对燃料中C02敏感，碱性电解液对二氧化碳具有显著的化合力，电解液与C02接触会生成碳酸根离子（CO3），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，这一最终的问题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，甚至于透过密封的可能性，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，以及最后的气化器均更为复杂。另一问题在于，如果电解液被过于地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。