不同类型燃料电池及其应用综述

不同类型燃料电池及其应用综述

燃料电池是一种将化学能直接转换为电能的电化学装置，被认为是清洁和高效能源生产的有前途的技术。本文将介绍不同类型的燃料电池及其应用，包括质子交换膜燃料电池（PEMFCs）、固体氧化物燃料电池（SOFCs）、碱性燃料电池（AFCs）、直接甲醇燃料电池（DMFCs）和磷酸燃料电池（PAFCs）等。

1. 引言

燃料电池作为清洁和高效能源生产技术，只产生水和热作为副产品。详细介绍了不同类型的燃料电池，包括质子交换膜燃料电池（PEMFCs）、固体氧化物燃料电池（SOFCs）、碱性燃料电池（AFCs）、直接甲醇燃料电池（DMFCs）和磷酸燃料电池（PAFCs）。讨论了燃料电池在交通、固定式发电、便携式电源和军事航空等领域的应用。

2. 燃料电池的分类

2.1 质子交换膜燃料电池（PEMFCs）

PEMFCs是一种燃料电池，它使用聚合物电解质膜将质子从阳极传导到阴极。PEMFCs具有高功率密度、低工作温度，是便携式和运输应用的理想选择。在PEMFCs中，氢气被输送到阳极，在那里它被分裂成质子H+和电子e-。质子通过聚合物电解质膜传导到阴极，而电子通过外部电路流动，产生电能。在阴极，质子与氧结合形成水。

优缺点如下：

• 使用聚合物电解质膜传导质子。
• 高功率密度，低操作温度，适合便携和交通应用。
• 优点包括高效率、低排放和快速启动时间。
• 缺点包括成本高和对杂质敏感。

2.2 固体氧化物燃料电池（SOFCs）

固体氧化物燃料电池是一种利用固体氧化物电解质将氧离子从阴极传导到阳极的燃料电池。SOFC效率高，可以在高温下工作，是固定式发电应用的理想选择。SOFC是一种燃料电池，它使用固体氧化物电解质将氧离子从阴极传导到阳极。SOFC效率高，可以在高温下工作，是固定式发电应用的理想选择。下图是三种类型燃料的SOFC（可见方程式）：

优缺点如下：

• 使用固体氧化物电解质传导氧离子。
• 高效率，能在高温下运行，适合固定式发电应用。
• 优点包括高效率、低排放和长寿命。
• 缺点包括高操作温度可能导致热应力。

2.3 碱性燃料电池（AFCs）

AFC是一种燃料电池，它使用碱性电解质，通常是氢氧化钾(KOH)。加湿的氢气被输送到阳极，在穿透 GDL 并到达催化剂层 (CL) 后，氢气与电解液中的氢氧根离子反应，产生水和电子；加湿氧源（通常是纯净空气/氧气）与水一起供应给阴极。溶解在水中的氧气在阴极 CL 还原成氢氧根离子，氢氧根离子通过电解质扩散到阳极，参与氢氧化反应 (HOR)。

优缺点如下：

• 使用碱性电解质传导氢氧离子。
• 高效率，长寿命，但对二氧化碳和其他杂质敏感。
• 优点包括高效率、快速反应速率和长寿命。
• 缺点包括对杂质敏感和需要高纯度反应物。

2.4 直接甲醇燃料电池（DMFCs）

DMFC是一种以甲醇为燃料，以质子交换膜(PEM)为电解质的燃料电池。DMFC具有高能量密度，易于处理和存储，具有在便携式电子设备中使用的潜力。在DMFC中，甲醇被送入阳极，在那里它被催化剂氧化，产生质子、电子和二氧化碳。质子通过PEM到达阴极，而电子通过外部电路流动，产生电能。在阴极，氧被还原成水。DMFC中的总反应可表示为：

优缺点如下：

• 使用甲醇作为燃料，质子交换膜作为电解质。
• 高能量密度，易于处理和储存，适合便携式电子设备。

2.5 微生物燃料电池（MFCs）

利用微生物氧化有机物来发电的MFCs。MFCs具有用于废水处理、生物能源生产和涉及使用有机物的其他应用的潜力。在MFCs中，微生物，通常是细菌附着在电极表面或悬浮在两个电极之间的溶液中。微生物氧化有机物，如废水或有机废物，并将电子转移到阳极，在那里它们被收集并通过外部电路传导到阴极，产生电能。在阴极，氧被还原成水。MFCs中的反应可表示为：

优缺点如下：

• 使用微生物从有机物中产生电能。
• 低功率密度，但可以使用多种燃料，有潜力应用于废水处理和生物能源生产。

3. 结果与讨论

比较了七种燃料电池的性能，包括操作条件、燃料、效率、功率密度和成本。每种燃料电池都有其不同的特点和运行特性。燃料电池的应用范围广泛，包括交通、固定式发电、便携式设备、军事应用、海洋应用和医疗应用。

4. 结论

1. 燃料电池作为一种有前途的清洁能源技术已经出现。
2. 不同类型的燃料电池具有不同的优势和劣势，适用于特定的应用和操作条件。
3. 燃料电池的应用领域多样且不断扩展，提供了一种减少温室气体排放、缓解气候变化的可行替代方案。
4. 燃料电池的广泛应用仍受到成本、耐久性和可扩展性等挑战的限制。
5. 需要进一步的研究和开发工作来提高燃料电池的性能，降低成本，增加其商业可行性。

文章来源：氢眼所见