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1.3 PEMFC分类

1.3.1 不同方式的分类

燃料电池的分类方式有很多,常用的方式是按照燃料电池电解质性质和工作温度进行分类。

因为电解质可以分为酸性、碱性、熔融盐类或固体类,所以燃料电池可以分为五类:碱性燃料电池(Alkaline Fuel Cell,AFC)、质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)、磷酸燃料电池(Phosphoric Acid Fuel Cell,PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(Molten Carbonate Fuel Cell,MCFC)、固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell,SOFC)。

按工作温度范围的不同,一般把碱性燃料电池(AFC,100℃)和质子交换膜燃料电池(PEMFC,100℃以内)归为低温燃料电池,将磷酸燃料电池(PAFC,200℃)归为中温燃料电池,把熔融碳酸盐燃料电池(MCFC,650℃)和固体氧化燃料电池(SOFC,1000℃)称为高温燃料电池,各类燃料电池特征见表1-1。

表1-1 各类燃料电池的特征

目前,PEMFC按照燃料的种类和来源分类,可以分为四类:氢氧质子交换膜燃料电池、直接甲醇燃料电池、直接乙醇燃料电池、直接甲酸燃料电池 [23] ,而后三者又可以统称为碳质化合物质子交换膜燃料电池,现分别阐述。

1 氢氧质子交换膜燃料电池(H 2 /O 2 型PEMFC)

H 2 /O 2 型PEMFC是目前研究最为充分,也是技术最为成熟的质子交换膜燃料电池,习惯上,PEMFC也专指H 2 /O 2 型燃料电池。H 2 /O 2 型PEMFC具有较高的功率密度(可达2.0W/cm 2[24] ),远远超过了其他类型的燃料电池。虽然各种H 2 /O 2 型PEMFC汽车和固定发电站早已试运行,但目前该类电池仍存在一些缺点,使其尚不能进入规模化的商业应用。这些缺点主要有:①所用的质子交换膜、催化剂价格昂贵;②电池性能的稳定性不理想;③水热管理系统复杂;④H 2 的储存效率低下。

由于成本的限制,H 2 /O 2 型PEMFC只在特殊的应用领域具有竞争力。要想取代目前普遍应用的内燃机,H 2 /O 2 型PEMFC除了要进一步提高功率密度外,还需要具有与内燃机相当甚至更低的成本。虽然H 2 /O 2 型PEMFC以H 2 为燃料时性能最佳,但H 2 需要消耗其他的能量来制取,且H 2 的体积能量密度小,储存效率很低。一般认为,PEMFC能运行5000h以上且电池性能没有明显的下降时才能在实际中使用,但现在的电池材料难以满足上述的要求。此外,以加氢站取代加油站,也需要大量的前期资本投入。因此在H 2 /O 2 型PEMFC的大规模商业化应用之前,还有一系列的问题亟待解决。

2 碳质化合物质子交换膜燃料电池

除了以H 2 为燃料外,质子交换膜燃料电池还可以以碳质化合物如甲醇、甲酸、甲醚、乙醇等为燃料直接液体进料。在各种碳质化合物燃料中,甲醇因具有较高的电化学活性而成为研究的热点,该类电池被称为直接甲醇燃料电池(Direct Methanol Fuel Cell,DMFC)。

直接甲醇燃料电池的研究基本与H 2 /O 2 型PEMFC同时起步,但其早期采用的是酸性或碱性液体电解质,电池性能很差 [25] 。20世纪90年代初,受H 2 /O 2 型PEMFC的启发,直接甲醇燃料电池开始采用固态的全氟磺酸膜作为电解质,形成了现在的DMFC,电池性能得到了极大的提高。DMFC与H 2 /O 2 型PEMFC的电池结构基本一样,差别主要在于DMFC的阳极采用的不是Pt/C催化剂,而是对甲醇催化活性较高的Pt-Ru/C。电池工作时,甲醇水溶液从流道穿过扩散层进入电池的阳极催化层,在Pt-Ru/C的催化作用下分解为CO 2 、电子和H + 。CO 2 经扩散层反向扩散至流道排出,H + 经过质子交换膜到达阴极催化层,与阴极的O 2 和从外电路传导至阴极的电子发生反应产生水。DMFC的电极半反应和电池总反应为:

阳极:

阴极:

总反应:

与H 2 /O 2 型PEMFC相比,DMFC的显著优点在于使用的燃料为廉价易得、储运方便的液体甲醇,且水热管理简单,辅助配件少。DMFC体积小、质量轻,因此非常适合当作便携式电源用于手机、笔记本等。目前DMFC面临着两大技术难题:①阳极催化剂对甲醇的催化活性低,电池的功率密度偏小;②电池运行时,甲醇容易随水透过膜扩散至阴极,毒化阴极催化剂并与O 2 直接发生反应形成混合电路。 zL07N9KjnK70vtnzPSfXXGT+vWgOWihUJfEhnY2o5hl4zDGkwa0IBK9zPmicClsp

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