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1、碱性燃料电池碱性燃料电池Alkaline Fuel Cells (AFC)一一. 概述概述碱碱性性燃燃料料电电池池(AFC)是是燃燃料料电电池池系系统统中中最最早早开开发发并并获获得得成成功功应应用用的的一一种种。美美国国阿阿波波罗罗登登月月宇宇宙宙飞飞船船及及航航天天飞飞机机上上即即采采用用碱碱性性燃燃料料电电池池作作为为动动力力电电源源，实实际际飞飞行行结结果果表表明明，AFC作作为为宇宇宙宙探探测测飞飞行行等等特特殊殊用用途途的的动动力力电电源已经达到实用化阶段。源已经达到实用化阶段。 在在过过去去相相当当长长的的一一段段时时期期内内，AFC系系统统的的研研究究范范围围涉涉及及不不同同温
2、温度度、燃燃料料等等各各种种情情况况下下的的电电池池结结构构、材材料料与电性能等。与电性能等。就就电电池池工工作作温温度度而而言言，AFC系系统统分分中中温温型型与与低低温温型型两两种种，前前者者以以培培根根中中温温燃燃料料电电池池最最为为突突出出，它它由由英英国国培培根根(FTBacon)研研制制，工工作作温温度度约约为为523K，阿阿波波罗罗登月飞船上使用的登月飞船上使用的AFC系统就属于这一类型。系统就属于这一类型。低低温温型型APC系系统统的的工工作作温温度度低低于于373K，是是现现在在AFC系系统统研研究究与与开开发发的的重重点点。其其应应用用目目标标是是便便携携式式电源及交通工具
3、用动力电源。电源及交通工具用动力电源。在在燃燃料料电电池池系系统统中中采采用用液液体体燃燃料料是是吸吸引引各各种种商商业业用用户户的的有有效效途途径径之之一一。因因为为液液体体燃燃料料储储运运方方便便，易易处处置置。曾曾经经考考虑虑用用作作AFC系系统统的的液液体体燃燃料料有有阱阱（N2H4）、液氨、甲醇和烃类。）、液氨、甲醇和烃类。然然而而，由由于于AFC系系统统通通常常以以KOH溶溶液液作作为为电电解解质质，KOH与与某某些些燃燃料料可可能能产产生生的的化化学学反反应应使使得得AFC几几乎不能使用液体燃料。乎不能使用液体燃料。液液体体燃燃料料在在进进入入AFC电电池池堆堆之之前前必必须须进
4、进行行预预处处理理。阱阱（N2H4）在在AFC阳阳极极上上易易分分解解成成氢氢气气和和氯氯气气，其其电极反应可能是：电极反应可能是：实实验验结结果果表表明明，以以阱阱为为燃燃料料的的AFC电电性性能能与与氢氢氧氧AFC电电性性能能差差不不多多相相等等。有有人人认认为为这这两两种种燃燃料料的的电电化化学学过过程程实实际际上上是是相相同同的的，阱阱仅仅仅仅起起到到氢氢气气源源的作用。的作用。阱阱在在AFC阳阳极极表表面面分分解解的的同同时时还还可可能能产产生生对对电电极极性性能能有害的氨。有害的氨。在在阱阱电电池池中中，电电解解液液是是连连续续循循环环的的，并并在在循循环环过过程程中中添添加加水水
5、合合阱阱使使浓浓度度大大体体上上维维持持恒恒定定，这这种种循循环环也也有有助助于于除除去去电电池池工工作作中中产产生生的的氮氮气气。排排出出的的氮氮气气中中会会带带定定一一些些阱阱蒸蒸汽汽，由由于于阱阱有有毒毒且且易易爆爆，故故须须使使废废气气通通过过乙乙醛醛或或硫硫酸酸以以除除去去其其中中的的阱阱。电电池池反反应应产产生生的的水水也也大大部部分随氮气一起排出。分随氮气一起排出。电电池池的的氧氧化化剂剂曾曾采采用用纯纯氧氧、空空气气或或H2O2等等。若若以以空空气气代代替替纯纯氧氧，会会大大大大增增加加排排出出气气体体中中氮氮气气的的流流量量，使使电池输出功率显著降低。电池输出功率显著降低。在
6、在五五六六十十年年代代，阱阱-空空气气燃燃料料电电池池曾曾作作为为军军用用电电源源大大力力开开发发。这这种种电电池池最最主主要要的的缺缺点点是是阱阱具具有有极极高高毒毒性性、价价格格昂昂贵贵。而而且且，这这种种电电池池系系统统需需要要大大量量辅辅助助设设备备，这这不不仅仅需需要要消消耗耗电电池池所所产产生生功功率率中中的的相相当当大大一一部部分分，而而且且在在电电池池正正常常工工作作前前必必须须启启动动这这些些辅辅助助设设备备。因因此此，尽尽管管在在理理论论上上阱阱氧氧化化产产生生的的能能量量比比大大多多数数其其他他燃燃料料要要大大得得多多，但但阱阱电电池池在在商商业业上上似似乎乎不不大大可可
7、能能有有什么重要用途。什么重要用途。到了到了70年代，阱年代，阱-空气燃料电池基本上停止了研究。空气燃料电池基本上停止了研究。 除除了了阱阱-空空气气燃燃料料电电池池，曾曾研研究究过过的的AFC系系统统还还有有氨氨-空气燃料电池。空气燃料电池。 从从长长远远的的眼眼光光来来看看，阱阱、液液氨氨作作为为AFC的的燃燃料料是是不不可可行行的的。目目前前，最最具具潜潜力力的的液液体体燃燃料料是是烃烃类类、甲甲醇醇等等。下面主要讨论以氢、烃为燃料的下面主要讨论以氢、烃为燃料的AFC系统。系统。二二. 原理与特点原理与特点1. AFC的的原原理理：AFC采采用用有有限限电电解解质质溶溶液液的的措措施施来
8、来维维持持稳稳定定的的三三相相界界面面。通通常常，电电解解质质采采用用30一一45的的KOH溶溶液液。与与PAFC不不同同的的是是，在在电电解解质质内内部部传传输输的的离离子子导导体体为为OH-，由由于于阳阳、阴阴极极的的电电极极反反应应不不同同，所所以在阳极一侧生成水。以在阳极一侧生成水。下图为下图为AFC的基本工作原理图。的基本工作原理图。以氢氧燃料电池为例，碱性燃料电池电极反应为以氢氧燃料电池为例，碱性燃料电池电极反应为:阳阳极极侧侧生生成成的的水水必必须须及及时时排排除除，以以免免将将电电解解质质溶溶液液稀稀释释或或淹淹没没多多孔孔气气体体扩扩散散电电极极。由由于于阴阴极极(氧氧电电极
9、极)的的极极化化损损失失要要比比PAFC等等酸酸性性电电解解质质电电池池小小，因因而而可以获得很高的电流效率。可以获得很高的电流效率。 AFC的的工工作作温温度度一一般般维维持持在在333353K，当当工工作作温温度度低低于于288K时时，电电池池性性能能明明显显下下降降。电电池池的的工工作压力维持在作压力维持在0.40.5MPa。2. 特点特点由由于于AFC的的工工作作温温度度在在373K以以下下，电电池池本本体体结结构构材材料料选选择择广广泛泛。可可以以使使用用低低廉廉的的耐耐碱碱塑塑料料。这这些些材材料料可可用用注注塑塑成成型型工工艺艺，使使电电池池造造价价降降低低。从从耐耐电电解解液液
10、性性能能方方面面来来看看，可可以以不不用用贵贵金金属属铂铂系系催催化化剂剂。例例如如，阳阳极极可可采采用用镍镍系系催催化化剂剂，既既降降低低成成本本又又能能获获得得机机械械强强度度高高的的结结构构。阴阴极极可可采采用用银银系系催催化剂。化剂。AFC在在室室温温下下操操作作，瞬瞬间间便便能能输输出出部部分分负负荷荷，5分分钟钟内内便便可可达达到到额额定定负负荷荷。低低温温下下氧氧还还原原时时，电电极极极化损失小。极化损失小。采采用用KOH等等碱碱性性溶溶液液作作电电解解质质的的不不利利之之处处是是，电电池池对对燃燃料料气气中中CO2十十分分敏敏感感，一一旦旦电电解解液液与与含含CO2的的气气流流
11、接接触触，电电解解液液中中会会生生成成碳碳酸酸根根离离子子，若若含含量超过量超过30，电池输出功率将急剧下降。，电池输出功率将急剧下降。因因此此，对对含含碳碳燃燃料料AFC系系统统中中应应配配CO2脱脱除除装装置置。另另外外，为为了了保保持持电电解解质质浓浓度度需需进进行行适适当当控控制制，导导致致系系统统复复杂杂化化。由由于于AFC工工作作温温度度低低，电电池池冷冷却却装装置置中中冷冷却却剂剂进进出出口口温温差差小小，冷冷却却装装置置需需有有较较大大体积，废热利用也受到限制。体积，废热利用也受到限制。3 电池系统基本构成电池系统基本构成1 ）电池结构）电池结构 电电池池结结构构大大致致分分为
12、为使使电电解解液液保保持持在在多多孔孔质质基基体体中中的基体型和自由电解液型。的基体型和自由电解液型。 基基体体型型AFC具具有有调调节节增增减减电电解解液液用用量量的的储储液液部部件件，装有冷却板并构成叠层结构。装有冷却板并构成叠层结构。典典型型的的电电解解液液保保持持体体材材料料有有石石棉棉膜膜。早早期期的的AFC系系统统多多采采用用饱饱吸吸KOH溶溶液液的的石石棉棉膜膜作作电电解解质质隔隔膜膜，由由美美国国爱爱立立斯斯查查默默尔尔斯斯(A11isChalmers)公公司司率率先先研制，并已应用于航天飞机的燃料电池中。研制，并已应用于航天飞机的燃料电池中。 石棉膜在石棉膜在KOH溶液中有一
13、定程度的侵蚀。溶液中有一定程度的侵蚀。下图为静态排水的氢氧隔膜型碱性燃料电池单体示意图下图为静态排水的氢氧隔膜型碱性燃料电池单体示意图。静态排水的氢氧隔膜型燃料电池静态排水的氢氧隔膜型燃料电池单体示意图单体示意图 自自由由电电解解液液型型AFC系系统统是是近近年年来来着着重重研研究究的的电电池池类类型型。该该系系统统内内设设电电解解液液循循环环系系统统，可可以以在在电电池池外外部部冷冷却却电电解解液液和和蒸蒸发发水水分分，而而且且既既容容易易适适应应液液体体体体积积变变化化，也也容容易易进进行行电电解解液液交交换换。自自由由电电解解液液型型AFC单单电池结构如图所示。电池结构如图所示。 碱性燃
14、料电池结构示意碱性燃料电池结构示意图（自由电解质型图（自由电解质型)将将电电极极以以电电解解液液保保持持室室隔隔板板的的形形式式粘粘结结在在塑塑料料制制成成的的电电池池框框架架上上，然然后后再再加加上上镍镍制制隔隔板板即即构构成成单单电池。电池。气气体体及及电电解解液液通通道道的的密密封封材材料料采采用用橡橡胶胶垫垫圈圈。采采用用氢氢气气循循环环法法除除水水时时，氢氢电电极极背背面面的的多多孔孔镍镍制制隔隔板板起起到到电电解解液液贮贮存存槽槽的的作作用用，以以调调节节由由于于温温度度及及浓浓度度变变化化而而引引起起的的电电解解质质溶溶液液的的体体积积变变化化。为为了了达达到到实实用用电电压压，
15、可可象象板板框框压压滤滤机机那那样样将将多多个个单单电电池池串串联联成成电电池池准准。有有时时，还还需需要要在在两两个个单单电电池池间间设置一块冷却板，在冷却板内通冷却剂除热。设置一块冷却板，在冷却板内通冷却剂除热。2 电极与催化剂电极与催化剂 电电极极的的结结构构形形式式及及其其制制备备方方法法与与选选用用的的电电极极催催化化剂剂密密切切相相关关。与与PAFC不不同同，AFC不不仅仅可可采采用用贵贵金金属属催催化化剂剂，也也可可选选用用非非贵贵金金属属催催化化剂剂。对对于于贵贵金金属属催催化化剂剂，铂铂或或铂铂合合金金等等以以颗颗粒粒状状形形式式沉沉积积于于碳碳载载体体上上或或作作为为镍镍基
16、基金金属属电电极极的的一一部部分分。对对于于非非贵贵金金属属催催化化剂剂，常常采采用用朗朗尼尼(Raney)镍镍粉粉末末作作阳阳极极催催化化剂剂，而而阴极催化剂为银基催化剂粉末。阴极催化剂为银基催化剂粉末。朗朗尼尼电电极极不不一一定定局局限限于于镍镍，可可以以是是朗朗尼尼银银、朗朗尼尼铜铜等金属电极。等金属电极。对对于于AFC电电极极的的共共同同要要求求是是：较较好好的的导导电电持持性性，以以便便减减少少欧欧姆姆损损失失；足足够够的的机机械械强强度度与与合合适适的的孔孔隙隙率率；在在碱碱性性电电解解质质环环境境中中具具有有一一定定的的化化学学催催化化活性；在较长时间内保持电化学催化活性。活性；
17、在较长时间内保持电化学催化活性。 电电极极的的另另一一重重要要特特征征是是憎憎水水性性或或亲亲水水性性，它它对对电电极极寿寿命命十十分分重重要要。金金属属电电极极属属于于亲亲水水性性电电极极，主要用于空间应用的主要用于空间应用的AFC系统。系统。憎憎水水性性电电极极是是针针对对地地面面应应用用的的AFC系系统统研研制制的的。憎憎水水性性电电极极为为炭炭基基电电极极，电电极极内内含含疏疏水水性性聚聚四四氟氟乙乙烯烯(PTFE)。使使含含PTFE的的催催化化层层具具有有适适当当结结构构，维维持持一一定定的的憎憎水水性性，有有利利于于延延长长憎憎水水性性电电极极的的寿寿命。命。一般的一般的AFC电极
18、由几层具有不同孔隙率的材料层组电极由几层具有不同孔隙率的材料层组成，在液相侧为薄层催化剂，气相侧为憎水层。这成，在液相侧为薄层催化剂，气相侧为憎水层。这种多层结构形式，便于液体电解质和反应气体在电种多层结构形式，便于液体电解质和反应气体在电极内部建立互不干扰的流动。可采用不同方法制备极内部建立互不干扰的流动。可采用不同方法制备其中的某一层，制备方法包括沉积法、高温烧结法其中的某一层，制备方法包括沉积法、高温烧结法或喷涂技术等。整个电极的发展趋向薄型化。或喷涂技术等。整个电极的发展趋向薄型化。憎水性电极有固定反应层电极、粘结式双层薄电极、憎水性电极有固定反应层电极、粘结式双层薄电极、E型电极及炭
19、纸电极等，具体制备过程可参考文献。型电极及炭纸电极等，具体制备过程可参考文献。 与与其其他他化化学学电电源源一一样样，燃燃料料电电池池电电极极结结构构的的均均质质性性与与电电极极再再生生性性能能是是电电池池保保持持良良好好性性能能与与长长寿寿命命的的关关键键。这这意意味味着着无无论论是是实实验验室室阶阶段段还还是是批批量量生生产产阶阶段段，对对于于每每个个电电极极的的生生产产必必须须进进行行严严格格的的质质量量控控制制与检测。与检测。3 电池的排水与排热电池的排水与排热 由由单单电电池池构构成成的的电电池池堆堆要要达达到到稳稳定定、连连续续运运行行，必必须须解解决决气气流流分分布布问问题题，确
20、确保保每每个个单单电电池池均均能能获获得得充充足足的的燃燃料料与与氧氧化化剂剂。与与此此同同时时，还还应应正正确确解解决决电电池池的的排排水水问问题题，即即将将电电池池堆堆电电化化学学反反应应生生成成水水迅迅速速地地排排出出电电池池堆堆，且且尽尽量量保保证证每每个个单单电电池池能能在在比比较较一一致的电解液浓度下工作。致的电解液浓度下工作。1 ） 电池的排水电池的排水 对对于于碱碱性性燃燃料料电电池池，常常用用排排水水方方法法有有动动态态排排水水与与静静态态排水两种。排水两种。 (1)动动态态排排水水：动动态态排排水水法法又又称称氢氢循循环环排排水水法法。其其原原理理是是用用泵泵循循环环氢氢气
21、气，将将水水蒸蒸气气带带出出电电池池，然然后后在在冷冷凝凝器器中中将将水水蒸蒸气气冷冷疑疑，回回收收氢氢气气。由由于于水水蒸蒸气气的的气气相相扩扩散散和和蒸蒸发发与与冷冷凝凝速速度度均均较较快快，因因此此，排排水水速速度度由由氢氢循循环量、电堆工作温度和冷凝器工作温度确定。环量、电堆工作温度和冷凝器工作温度确定。 (2)静静态态排排水水：原原理理是是在在氢氢气气腔腔背背面面加加一一块块饱饱吸吸KOH的的排排水水膜膜(该该膜膜内内吸吸饱饱的的KOH电电解解液液浓浓度度比比电电解解质质隔隔膜膜内内的的要要浓浓一一些些膜膜的的另另一一侧侧是是水水腔腔)，在在多多孔孔阳阳极极内内部部电电化化学学反反应
22、应生生成成的的水水汽汽化化，靠靠浓浓差差迁迁移移至至排排水水膜膜燃料腔一侧并冷凝，然后靠浓差迁移通过排水膜，燃料腔一侧并冷凝，然后靠浓差迁移通过排水膜，在在排排水水膜膜水水腔腔侧侧减减压压蒸蒸发发，借借压压差差进进入入冷冷凝凝器器冷冷凝凝、回回收收。与与动动态态排排水水一一样样，因因水水的的蒸蒸发发、冷冷凝凝与与气气相相扩扩散散速速度度均均较较快快，所所以以整整个个排排水水速速度度由由水水在在排排水水膜膜内内迁迁移速度决定。移速度决定。 静静态态排排水水控控制制条条件件比比动动态态排排水水少少，而而且且不不受受气气流流分分布布影影响响，没没有有运运动动部部件件，但但是是，它它要要在在电电池池堆
23、堆内内增增加加一一个个水水腔腔与与一一块块排排水水膜膜，不不仅仅制制作作工工艺艺复复杂杂，而而且且必必然然增增加加电电堆堆重重量量。因因此此，要要根根据据具具体体应应用用条条件件来来选选取取排水方法。排水方法。对对于于航航天天用用的的AFC系系统统，因因有有宇宇宙宙这这一一巨巨大大真真空空源源，采用静态排水法可能比较有利。采用静态排水法可能比较有利。2排热排热 碱碱性性燃燃料料电电池池在在放放电电过过程程中中有有热热量量产产生生，为为了了使使电电池池工工作作温温度度维维持持在在一一定定范范围围内内，必必须须排排除除多多余余的的反反应应热热。排排热热过过程程通通常常与与排排水水过过程程相相结结合
24、合，特特别别是是在在动动态态排排水水时时，可可借借助助气气体体或或电电解解质质循循环环而而将将电电池池余余热带出电池堆。热带出电池堆。 电电解解质质溶溶液液循循环环排排热热是是利利用用泵泵将将电电解解液液泵泵出出电电池池堆堆，使使电电解解液液通通过过热热交交换换器器，电电解解液液与与冷冷却却剂剂进进行行热热交交换换后后再再与与新新鲜鲜电电解解液液混混合合后后进进入入电电池池堆堆循循环环使使用用。在在AFC电电池池堆堆中中，每每隔隔几几个个单单电电池池就就要要设设置置一一冷冷却却循循环环构构成成排排热热系系统统。一一般般的的氢氢-氧氧燃燃料料电电池池均均采采用用此此排排热热方方式式。然然而而，对
25、对于于氢氢-空空气气燃燃料料电电池池，E1eno采采用空气循环与电解质循环两种排热方式。用空气循环与电解质循环两种排热方式。4 电池运行特性电池运行特性 燃料电池系统的电化学特性优劣可用比能量来判别。燃料电池系统的电化学特性优劣可用比能量来判别。电电池池比比能能量量的的物物理理意意义义是是电电池池单单位位质质量量或或单单位位体体积积所能输出的电能。所能输出的电能。它它有有两两种种表表达达方方式式，一一种种叫叫质质量量比比能能量量，以以单单位位质质量量电电池池输输出出的的功功率率(kw/kg)表表示示；另另一一种种叫叫体体积积比比能能量，以单位体积电池输出的功率量，以单位体积电池输出的功率(kw
26、/L)表示。表示。比比能能量量的的大大小小与与电电池池堆堆及及其其辅辅助助设设备备的的质质量量或或体体积积有有关关。电电池池堆堆对对比比能能量量的的贡贡献献与与电电池池工工作作电电流流密密度度、输出电压直接相关。输出电压直接相关。电电池池运运行行寿寿命命是是电电池池性性能能的的另另一一重重要要指指标标。在在不不同同的的应应用用场场合合，对对AFC系系统统的的使使用用寿寿命命要要求求不不尽尽相相同同。在在某某些些特特殊殊场场合合，如如航航天天飞飞机机和和火火箭箭系系统统，AFC运运行行寿寿命命达达到到5000h甚甚至至仅仅有有1000h已已经经足足够够；而而对对于于另另一一些些场场合合，如如便便
27、携携式式电电源源及及汽汽车车电电源源等等，要要求求AFC运运行行寿寿命命在在25000h以以上上；对对于于电电站站系系统统中中的的AFC电池堆，其运行寿命应在电池堆，其运行寿命应在40000h以上。以上。 AFC电电池池堆堆的的性性能能及及其其稳稳定定性性受受诸诸如如电电极极组组成成(电电催催化化剂剂负负载载量量)、氧氧化化剂剂(O2或或空空气气)、工工作作温温度度、工作压力及电解液中工作压力及电解液中KOH浓度等因素影响。浓度等因素影响。有有关关电电极极与与催催化化剂剂的的作作用用已已在在前前面面讲讲述述过过。这这里里，仅仅就就氧氧化化剂剂、工工作作温温度度与与工工作作压压力力对对电电池池运
28、运行行特特性性的影响作简单描述。的影响作简单描述。1）氧化剂对）氧化剂对AFC运行特性的影响运行特性的影响 碱碱性性燃燃料料电电池池可可采采用用O2或或空空气气作作氧氧化化剂剂。美美国国国国际际燃燃料料电电池池公公司司(IFC)与与德德国国Siemens贴贴主主要要研研究究碱碱性性H2-O2燃燃料料电电池池。而而Elenco研研究究的的AFC系系统统则则多多采采用用空空气气作作氧氧化化剂剂。后后者者研研制制的的碱碱性性H2-空空气气燃燃料料电电池池同同时时可可用用O2作作氧氧化化剂剂。据据报报道道，E1enco公公司司的的碱碱性性H2-空空气气燃燃料料电电池池若若改改用用O2作作氧氧化化剂剂，
29、在在相相同同操操作作条条件件下下，电电池池堆堆电电流流密密度度(输输出出电电压压不不变变)可可增增加加约约50。相相反反，若若将将空空气气直直接接用用于于碱碱性性H2-O2燃燃料料电电池池系系统统则则会会遇遇到到很很多多麻麻烦烦。究究其其原原因因是是H2-O2燃燃料料电电池池中中的的电电极极无无法法适适应应空空气气中中存存在在的的N2，且且对对于于空气中杂质，特别是空气中杂质，特别是CO2更加敏感。更加敏感。在在AFC系系统统中中究究竟竟采采用用O2还还是是空空气气作作氧氧化化剂剂，要要视视其其具具体体用用途途而而定定。对对于于航航天天与与国国防防(潜潜艇艇)方方面面应应用用的的AFC系系统统
30、，O2是是唯唯一一的的选选择择。而而作作为为商商业业应应用用的的AFC系系统统，如如电电动动汽汽车车动动力力电电源源、小小型型燃燃料料日日池池电电站站等等，基基于于安安全全性性与价格等因素，采用空气作氧化剂比较合适。与价格等因素，采用空气作氧化剂比较合适。2）工作温度对）工作温度对AFC运行持性的影响运行持性的影响 由由于于低低温温条条件件下下的的KOH溶溶液液就就具具有有良良好好的的离离子子导导电电率率，因因此此，AFC电电堆堆在在常常温温下下工工作作时时的的输输出出功功率率就就能能达达到到额额定定工工作作温温度度(约约343K)时时的的一一半半。当当电电池池工工作作温温度度由由室室温温升升
31、至至323-333K时时，电电池池输输出出功功率率随随工工作作温温度度增增加加而而呈呈线线性性增增大大。若若进进一一步步提提高高电电油油工工作作温温度度，电电解解质质中中KOH浓浓度度的的影影响响因因素素必必须须加加以以考考虑虑。Elenco公公司司的的研研究究表表明明，对对于于常常压压型型H2-空空气气燃燃料料电电池池，电电解解质质为为6-7mol/L KOH溶液时的最佳电池工作温度范围是溶液时的最佳电池工作温度范围是343-353K，而而采采用用89mol/L的的KOH溶溶液液作作电电解解质质时时，最最佳佳工工作作温温度度为为363K。但但是是，当当电电池池工工作作温温度度升升至至353K
32、以以上上时时，提提高高工工作作温温度度对对电电池池性性能能改改进进并并不不十十分分明明显显。从从提提高高电电池池系系统统运运行行可可靠靠性性的的角角度度分分析析，电电池池工工作作温温度度不不宜宜选选得得过过高，比较适宜的工作温度范围是高，比较适宜的工作温度范围是353563K。 在在众众多多AFC系系统统中中，一一个个典典型型的的特特例例是是培培根根型型氢氢氧氧燃燃料料电电池池，其其工工作作温温度度约约为为523K。当当时时培培根根采采用用30的的KOH作作电电解解液液，由由于于工工作作温温度度远远远远超超过过它它的的正正常常沸沸点点，所所以以要要加加大大工工作作压压力力(约约5MPa来来维维
33、持持电电解解液液的的液液体体状状态态，使电池结构变得十分笨重。使电池结构变得十分笨重。3）工作压力对）工作压力对AFC运行特性的影响运行特性的影响 从从理理论论上上讲讲，提提高高系系统统工工作作压压力力有有利利于于提提高高燃燃料料电电池池性性能能。目目前前，已已经经开开发发应应用用的的燃燃料料电电池池系系统统中中，有有相相当当一部分是在加压条件下工作的。一部分是在加压条件下工作的。美美国国国国际际燃燃料料电电池池公公司司为为航航天天飞飞机机轨轨道道器器制制造造的碱性隔膜型燃料电池，工作压力为的碱性隔膜型燃料电池，工作压力为0.41MPa。对对于于AFC系系统统，工工作作压压力力由由反反应应气气
34、体体压压力力与与碱碱腔腔压压力力来来确确定定。在在电电池池运运行行过过程程中中，应应使使反反应应气气体体室室(阳阳、阴阴极极室室)与与碱碱腔腔之之间间保保持持一一定定的的压压差差。但但是是压压差差不不能能过过大大，要要避避免免气气体体室室压压力力太太大大导导致致反反应应气气进进入入碱碱腔腔。若若阳阳、阴阴极极室室内内H2、02同时进入碱腔，电池系统将会受到极大危害。同时进入碱腔，电池系统将会受到极大危害。在在阿阿波波罗罗登登月月飞飞船船用用的的燃燃料料电电池池中中，电电池池内内腔腔按按压压力力为为0.34-0.36MPa，氢氢气气与与氧氧气气室室压压力力为为0.41MPa，反反应应气气体体室室
35、与与碱碱腔腔之之间间的的压压差差为为0.049-0.069MPa。4) 电池系统运行实例电池系统运行实例Siemens公公司司已已研研制制出出6-7kW加加压压式式碱碱性性氢氢氧氧燃燃料料电电池池堆堆。7kw电电池池堆堆由由70个个单单电电池池组组成成，电电池池堆堆外外形形尺尺寸寸为为245mm24hnm1025mm，电电池池系系统统总总质质量量为为85kg。当当电电池池工工作作电电流流密密度度为为420mA/m2时时，电池比能量约为电池比能量约为83W/kg。7kW AFC电油堆电流电压特性曲线6. AFC技术发展技术发展 有有关关AFC技技术术开开发发课课题题是是根根据据其其不不同同应应用
36、用背背景景进进行行的的。AFC系系统统的的主主要要应应用用领领域域有有：(1)航航天天飞飞行行器器用用动动力力电电源源；(2)军军事事装装备备电电源源；(3)电电动动汽汽车车用用的的动动力力电电源源；(4)民民用用发电装置。发电装置。 与与其其他他类类型型的的燃燃料料电电池池一一样样，AFC系系统统的的应应用用受受到到经经济济可可行行性性与与电电池池性性能能两两方方面面因因家家的的制制约约。电电池池技技术术开开发发重重点点是是提提高高电电池池系系统统性性能能、降降低低电电池池造造价价与与操操作作费费用用、增增强强与与其他燃料电他的竞争能力。其他燃料电他的竞争能力。1） 提高电池性能提高电池性能
37、 在在AFC技技术术开开发发过过程程中中，提提高高电电池池系系统统性性能能主主要要从从以以下下几个方面入手。几个方面入手。(1)改进改进AFC电极结沟与电催化剂，提高电极比催化活性电极结沟与电催化剂，提高电极比催化活性，有效提高电池堆比能量。，有效提高电池堆比能量。 (2)开开发发性性能能稳稳定定的的电电催催化化剂剂，提提高高电电池池性性能能的的稳稳定定性性，降低电池性能衰减速度，延良电池使用寿命。降低电池性能衰减速度，延良电池使用寿命。 (3)简化简化AFC系统中的辅助设备，提高电池系统比能量。系统中的辅助设备，提高电池系统比能量。 (4)采采用用先先进进的的仪仪器器设设备备对对所所有有电电
38、池池的的组组成成构构件件进进行行有有效的质量控制，使整个效的质量控制，使整个AFC系统可靠性达到最优化。系统可靠性达到最优化。2 改善电池系统经济性改善电池系统经济性 作作为为一一般般用用途途的的燃燃料料电电池池，必必须须考考虑虑其其经经济济性性。对对于于电电动动汽汽车车、民民用用发发电电装装置置用用的的AFC系系统统，在在提提高高电电池池性性能能基基础础上上，应应合合理理设设计计电电池池系系统统中中各各个个构构件件及及其其制制造造方方法法，并并能能形形成成生生产产过过程程自自动动化化、系系列列化化。这这不不仅仅能能提提高高生产能力，也是降低电池生产成本的有效途径。生产能力，也是降低电池生产成
39、本的有效途径。 与与改改善善电电池池系系统统经经济济性性有有关关的的AFC技技术术开开发发课课题题主主要要有以下几个方面。有以下几个方面。 (1)降降低低电电极极中中贵贵金金属属催催化化剂剂负负载载量量，开开发发非非贵贵金金属电极催化剂，减少电极材料费。属电极催化剂，减少电极材料费。 (2)APC需需要要用用纯纯氢氢作作燃燃料料，为为扩扩大大其其应应用用范范围围，必必须须改改进进氢氢气气储储存存方方式式。对对于于小小功功率率AFC系系统统，如如便便携携式式(可可移移动动式式)电电源源、电电动动汽汽车车动动力力电电源源，通通常常以以贮贮氢氢罐罐供供给给电电池池燃燃料料。贮贮氢氢罐罐携携带带方方便
40、便，易易更更换换，但但其其安安全全性性令令人人担担忧忧，尤尤其其是是在在电电动动汽汽车车那那样样摇摇晃晃、震震动动的的场场合合，安安装装贮贮氢氢罐罐就就好好象象在在车车上上安安一一枚枚重重磅磅炸炸弹弹。目目前前，贮贮氢氢合合金金材材料料的的研研究究取取得得可可喜喜成成果果，这这为为AFC的的贮氢问题提供了贮氢问题提供了 一条新的解决途径。一条新的解决途径。(3)对对于于大大功功率率AFC系系统统，氢氢气气来来源源是是多多样样化化的的，包包括括天天然然气气、甲甲醇醇、石石油油和和煤煤等等燃燃料料。必必须须开开发发流流程程简简单单、投投资资少少的的燃燃料料转转化化与与分分离离技技术术，获获得得廉廉价价的的纯纯氢氢。从从当当前前燃燃料料电电池池技技术术发发展展趋趋势势来来看看，由由于于AFC需需用用纯纯氢氢作作燃燃料料，限限制制了了AFC的的应应用用范范围围和和发发展展前前景景。在在AFC商商业业化化过过程程中中，燃燃料料转转化化与与分分离离费费用用的的提提高高，使使得得AFC与与其其他他燃燃料料电电池池如如SOFC，MOFC等的竞争力下降。等的竞争力下降。
