1、LOGO第五章第五章 燃料電池燃料電池LOGO堿性燃料電池堿性燃料電池Alkaline Fuel Cells (AFC)Alkaline Fuel Cells (AFC)中南大學冶金科學與工程學院中南大學冶金科學與工程學院中南大學冶金科學與工程學院5.2.1. 概述概述 堿性燃料電池堿性燃料電池(AFC)是燃料電池系統中最早開發并獲得成功是燃料電池系統中最早開發并獲得成功應用的一種。美國阿波羅登月宇宙飛船及航天飛機上即采用堿應用的一種。美國阿波羅登月宇宙飛船及航天飛機上即采用堿性燃料電池作為動力電源，實際飛行結果表明，性燃料電池作為動力電源，實際飛行結果表明，AFC作為宇宙作為宇宙探測飛行等特

2、殊用途的動力電源已經達到實用化階段。探測飛行等特殊用途的動力電源已經達到實用化階段。 在過去相當長的一段時期內，在過去相當長的一段時期內，AFC系統的研究范圍涉及不同系統的研究范圍涉及不同溫度、燃料溫度、燃料等各種情況下的電池結構、材料與電性能等。就電等各種情況下的電池結構、材料與電性能等。就電池工作溫度而言，池工作溫度而言，AFC系統分中溫型與低溫型兩種，前者以培系統分中溫型與低溫型兩種，前者以培根中溫燃料電池最為突出，它由英國培根根中溫燃料電池最為突出，它由英國培根(FTBacon)研制，研制，工作溫度約為工作溫度約為523K，阿波羅登月飛船上使用的，阿波羅登月飛船上使用的AFC系統就屬于

3、系統就屬于這一類型。這一類型。5.2.堿性燃料電池中南大學冶金科學與工程學院中南大學冶金科學與工程學院中南大學冶金科學與工程學院 低溫型低溫型APC系統系統的工作溫度的工作溫度低于低于373K，是現，是現在在AFC系統研究與開發的重點。其應用目標是系統研究與開發的重點。其應用目標是便攜便攜式電源及交通工具用動力電源。式電源及交通工具用動力電源。在燃料電池系統中采用液體燃料是吸引各種商業用在燃料電池系統中采用液體燃料是吸引各種商業用戶的有效途徑之一。因為液體燃料儲運方便，易處戶的有效途徑之一。因為液體燃料儲運方便，易處置。曾經考慮用作置。曾經考慮用作AFC系統的液體燃料有系統的液體燃料有阱阱（N

4、2H4）、液氨、甲醇和烴類。）、液氨、甲醇和烴類。然而，由于然而，由于AFC系統通常以系統通常以KOH溶液作為電解質，溶液作為電解質，KOH與某些燃料可能產生的化學反應使得與某些燃料可能產生的化學反應使得AFC幾幾乎不能乎不能使用液體燃料。使用液體燃料。中南大學冶金科學與工程學院中南大學冶金科學與工程學院中南大學冶金科學與工程學院液體燃料在進入液體燃料在進入AFC電池堆之前必須進行預處理。電池堆之前必須進行預處理。阱（阱（N2H4）在）在AFC陽極上易分解成氫氣和氮氣，其陽極上易分解成氫氣和氮氣，其電極反應可能是：電極反應可能是：實驗結果表明，以阱為燃料的實驗結果表明，以阱為燃料的AFC電性能

5、與氫氧電性能與氫氧AFC電性能差不多相等。有人認為這兩種燃料的電性能差不多相等。有人認為這兩種燃料的電化學過程實際上是相同的，電化學過程實際上是相同的，阱僅僅起到氫氣源阱僅僅起到氫氣源的作用。的作用。中南大學冶金科學與工程學院中南大學冶金科學與工程學院中南大學冶金科學與工程學院阱在阱在AFC陽極表面分解的同時還可能產生對電極性能陽極表面分解的同時還可能產生對電極性能有害的有害的氮氮。在阱電池中，電解液是連續循環的，并在循環過程中在阱電池中，電解液是連續循環的，并在循環過程中添加水合阱使濃度大體上維持恒定，這種循環也有助添加水合阱使濃度大體上維持恒定，這種循環也有助于除去電池工作中產生的氮氣。排

6、出的氮氣中會帶定于除去電池工作中產生的氮氣。排出的氮氣中會帶定一些阱蒸汽，由于阱有毒且易爆，故須使廢氣通過乙一些阱蒸汽，由于阱有毒且易爆，故須使廢氣通過乙醛或硫酸以除去其中的阱。電池反應產生的水也大部醛或硫酸以除去其中的阱。電池反應產生的水也大部分隨氮氣一起排出。分隨氮氣一起排出。電池的氧化劑曾采用純氧、空氣或電池的氧化劑曾采用純氧、空氣或H2O2等。若以空等。若以空氣代替純氧，會大大增加排出氣體中氮氣的流量，使氣代替純氧，會大大增加排出氣體中氮氣的流量，使電池輸出功率顯著降低。電池輸出功率顯著降低。中南大學冶金科學與工程學院中南大學冶金科學與工程學院中南大學冶金科學與工程學院在五六十年代，阱

7、在五六十年代，阱-空氣燃料電池曾作為軍用電源大空氣燃料電池曾作為軍用電源大力開發。這種電池力開發。這種電池最主要的缺點是阱具有極高毒性、最主要的缺點是阱具有極高毒性、價格昂貴價格昂貴。而且，這種電池系統需要大量輔助設備，。而且，這種電池系統需要大量輔助設備，這不僅需要消耗電池所產生功率中的相當大一部分，這不僅需要消耗電池所產生功率中的相當大一部分，而且在電池正常工作前必須啟動這些輔助設備。因而且在電池正常工作前必須啟動這些輔助設備。因此，盡管在理論上阱氧化產生的能量比大多數其他此，盡管在理論上阱氧化產生的能量比大多數其他燃料要大得多，但阱電池在商業上似乎不大可能有燃料要大得多，但阱電池在商業上

8、似乎不大可能有什么重要用途。什么重要用途。到了到了70年代，阱年代，阱-空氣燃料電池基本上停止了研究。空氣燃料電池基本上停止了研究。中南大學冶金科學與工程學院中南大學冶金科學與工程學院中南大學冶金科學與工程學院 除了阱除了阱-空氣燃料電池，曾研究過的空氣燃料電池，曾研究過的AFC系統還有氨系統還有氨-空氣燃料電池。空氣燃料電池。 從長遠的眼光來看，阱、液氨作為從長遠的眼光來看，阱、液氨作為AFC的燃料是不的燃料是不可行的。目前，最具潛力的液體燃料是烴類、甲醇等。可行的。目前，最具潛力的液體燃料是烴類、甲醇等。下面主要討論以氫、烴為燃料的下面主要討論以氫、烴為燃料的AFC系統。系統。中南大學冶金

9、科學與工程學院中南大學冶金科學與工程學院中南大學冶金科學與工程學院5.2.2. 原理與特點5.2.2.1. AFC的原理： AFC采用有限電解質溶液的措施來維持穩定的三相界面。通常，電解質采用30一45的KOH溶液。與PAFC不同的是，在電解質內部傳輸的離子導體為OH-，由于陽、陰極的電極反應不同，所以在陽極一側生成水。下圖為AFC的基本工作原理圖。中南大學冶金科學與工程學院中南大學冶金科學與工程學院中南大學冶金科學與工程學院 圖21 堿性燃料電池電化學反應AFC的燃料有純氫（用碳纖維增強鋁瓶儲存）、儲氫合金和金屬氫化物。AFC工作時會產生水和熱量，采用蒸發和氫氧化鉀的循環實現排除，以保障電池

10、的正常工作。氫氧化鉀電解質吸收CO2生成的碳酸鉀會堵塞電極的孔隙和通路，所以氧化劑要使用純氧而不能用空氣，同時電池的燃料和電解質也要求高純化處理。中南大學冶金科學與工程學院中南大學冶金科學與工程學院中南大學冶金科學與工程學院 堿性燃料電池是以強堿為電解質，氫為燃料，氧為氧化劑的燃料電池，在陽極，氫氣與堿中的OH在電催化劑作用下，發生氧化反應生成水和電子： H2+2OH- 2H2O+2e- E0=0.828v 氫電極反應生成的電子通過外電路到達陰極，在陰極電催化劑的作用下，參與氧的還原反應： 12O2+H2O+2e- 2OH- E00.401v生成的OH通過飽浸堿液的多孔石棉膜遷移到氫電極。 為

11、保持電池連續工作，除需與電池消耗氫氣、氧氣等速地供應氫氣、氧氣外，還需連續、等速地從陽極排除電池反應生成的水，以維持電解液濃度的穩定；排除電池反應的廢熱以維持電池工作溫度的穩定。中南大學冶金科學與工程學院中南大學冶金科學與工程學院中南大學冶金科學與工程學院5.2.2.2. 特點特點 由于由于AFC的工作溫度在的工作溫度在373K以下，電池以下，電池本體本體結構材料選擇廣泛結構材料選擇廣泛。可以使用低廉的。可以使用低廉的耐堿塑料耐堿塑料。這些材料可用注塑成型工藝，使電池造價降低。這些材料可用注塑成型工藝，使電池造價降低。從耐電解液性能方面來看，可以不用貴金屬鉑系從耐電解液性能方面來看，可以不用貴

12、金屬鉑系催化劑。例如，陽極可采用催化劑。例如，陽極可采用鎳系催化劑鎳系催化劑，既降低，既降低成本又能獲得機械強度高的結構。陰極可采用成本又能獲得機械強度高的結構。陰極可采用銀銀系催化劑。系催化劑。AFC在室溫下操作，瞬間便能輸出部分負荷，在室溫下操作，瞬間便能輸出部分負荷，5分鐘內便可達到額定負荷。低溫下氧還原時，分鐘內便可達到額定負荷。低溫下氧還原時，電電極極化損失小。極極化損失小。中南大學冶金科學與工程學院中南大學冶金科學與工程學院中南大學冶金科學與工程學院 采用采用KOH等堿性溶液作電解質的不利之處是，等堿性溶液作電解質的不利之處是，電池對燃料氣中電池對燃料氣中CO2十分敏感，一旦電解液

13、與含十分敏感，一旦電解液與含CO2的氣流接觸，的氣流接觸，電解液中會生成碳酸根離子，若電解液中會生成碳酸根離子，若含量超過含量超過30，電池輸出功率將急劇下降。，電池輸出功率將急劇下降。 因此，對含碳燃料因此，對含碳燃料AFC系統中應配系統中應配CO2脫除裝脫除裝置。另外，為了保持電解質濃度需進行適當控制，置。另外，為了保持電解質濃度需進行適當控制，導致系統復雜化。由于導致系統復雜化。由于AFC工作溫度低，電池冷工作溫度低，電池冷卻裝置中冷卻劑進出口溫差小，冷卻裝置需有較卻裝置中冷卻劑進出口溫差小，冷卻裝置需有較大體積，大體積，廢熱利用廢熱利用也受到限制。也受到限制。中南大學冶金科學與工程學院

14、中南大學冶金科學與工程學院中南大學冶金科學與工程學院5.2.3 電池系統基本構成電池系統基本構成5.2.3.1電池結構電池結構 電池結構大致分為使電解液保持在多孔質基體中電池結構大致分為使電解液保持在多孔質基體中的的基體型基體型和和自由電解液自由電解液型。型。 基體型基體型AFC具有調節增減電解液用量的儲液部件，具有調節增減電解液用量的儲液部件，裝有冷卻板并構成疊層結構。裝有冷卻板并構成疊層結構。 典型的電解液保持體材料有典型的電解液保持體材料有石棉膜石棉膜。早期的。早期的AFC系統多采用系統多采用飽吸飽吸KOH溶液的石棉膜作電解質隔膜溶液的石棉膜作電解質隔膜，由美國愛立斯由美國愛立斯查默爾斯

15、查默爾斯(A11isChalmers)公司率公司率先研制，并已應用于航天飛機的燃料電池中。先研制，并已應用于航天飛機的燃料電池中。中南大學冶金科學與工程學院中南大學冶金科學與工程學院中南大學冶金科學與工程學院 石棉膜在石棉膜在KOH溶液中有一定程度的侵蝕。溶液中有一定程度的侵蝕。下圖為靜態排水的氫氧隔膜型堿性燃料電池單體示意圖下圖為靜態排水的氫氧隔膜型堿性燃料電池單體示意圖。靜態排水的氫氧隔膜型燃料電池靜態排水的氫氧隔膜型燃料電池單體示意圖單體示意圖中南大學冶金科學與工程學院中南大學冶金科學與工程學院中南大學冶金科學與工程學院 自由電解液型自由電解液型AFC系統是近年來著重研究的電池系統是近年

16、來著重研究的電池類型。該系統內設電解液循環系統，可以在電池外類型。該系統內設電解液循環系統，可以在電池外部冷卻電解液和蒸發水分，而且既容易適應液體體部冷卻電解液和蒸發水分，而且既容易適應液體體積變化，也容易進行電解液交換。自由電解液型積變化，也容易進行電解液交換。自由電解液型AFC單電池結構如圖所示。單電池結構如圖所示。 堿性燃料電池結構示意堿性燃料電池結構示意圖（自由電解質型圖（自由電解質型)中南大學冶金科學與工程學院中南大學冶金科學與工程學院中南大學冶金科學與工程學院將電極以電解液保持室隔板的形式粘結在塑料制將電極以電解液保持室隔板的形式粘結在塑料制成的電池框架上，然后再加上鎳制隔板即構成

17、單成的電池框架上，然后再加上鎳制隔板即構成單電池。電池。氣體及電解液通道的密封材料采用橡膠墊圈。采氣體及電解液通道的密封材料采用橡膠墊圈。采用氫氣循環法除水時，氫電極背面的多孔鎳制隔用氫氣循環法除水時，氫電極背面的多孔鎳制隔板起到電解液貯存槽的作用，以調節由于溫度及板起到電解液貯存槽的作用，以調節由于溫度及濃度變化而引起的電解質溶液的體積變化。為了濃度變化而引起的電解質溶液的體積變化。為了達到實用電壓，可象板框壓濾機那樣將多個單電達到實用電壓，可象板框壓濾機那樣將多個單電池串聯成電池準。有時，還需要在兩個單電池間池串聯成電池準。有時，還需要在兩個單電池間設置一塊冷卻板，在冷卻板內通冷卻劑除熱。

18、設置一塊冷卻板，在冷卻板內通冷卻劑除熱。中南大學冶金科學與工程學院中南大學冶金科學與工程學院中南大學冶金科學與工程學院5.2.3.2 電極與催化劑及制備工藝電極與催化劑及制備工藝 電極的結構形式及其制備方法與選用的電極催化電極的結構形式及其制備方法與選用的電極催化劑密切相關。與劑密切相關。與PAFC不同，不同，AFC不僅可采用貴金不僅可采用貴金屬催化劑，也可選用非貴金屬催化劑屬催化劑，也可選用非貴金屬催化劑。對于貴金屬。對于貴金屬催化劑，鉑或鉑合金等以顆粒狀形式沉積于碳載體催化劑，鉑或鉑合金等以顆粒狀形式沉積于碳載體上或作為鎳基金屬電極的一部分。對于非貴金屬催上或作為鎳基金屬電極的一部分。對于

19、非貴金屬催化劑，常采用化劑，常采用朗尼朗尼(Raney)鎳粉末作陽極催化劑鎳粉末作陽極催化劑，而而陰極催化劑為銀基催化劑粉末陰極催化劑為銀基催化劑粉末。 朗尼電極不一定局限于鎳，可以是朗尼朗尼電極不一定局限于鎳，可以是朗尼銀、朗尼銀、朗尼銅等金屬電極。銅等金屬電極。中南大學冶金科學與工程學院中南大學冶金科學與工程學院中南大學冶金科學與工程學院1. 電催化劑 選擇堿性燃料電池電催化劑時，首要條件有兩個：一是電催化劑對氫的電化學氧化和氧的電化學還原的催化活性；二是在濃堿中電催化劑于電極工作電位范圍內的穩定性。 對于培根型中溫（約200度）堿性燃料電池，多采用雙孔結構的鎳電極，及用鎳作為電催化劑。而

20、對于采用PTFE粘結型多孔氣體擴散電極的堿性燃料電池，由于在航天應用中要求高比功率與高比能量，為達到高電催化活性，多采用將貴金屬（例如鉑）催化劑分散到碳基體上，形成具有催化活性的電極。中南大學冶金科學與工程學院中南大學冶金科學與工程學院中南大學冶金科學與工程學院2. 電極結構與制備工藝1） 雙孔結構電極 培根采用朗尼朗尼合金制備雙孔結構電極，其粗孔層孔徑30m，細孔層孔徑16m，電極厚度約為1.6mm。粗孔層內充滿反應氣體，細孔層內填滿電解液。細孔層的電解液浸潤粗孔層，液氣界面形成并發生電化學反應，離子和水在電解液中傳遞，而電子則在構成粗孔層和細孔層的朗尼朗尼合金骨架內傳導。電池工作時，只要控

21、制反應氣與電解液壓差在一定范圍內，雙孔結構電極可以滿足多孔氣體擴散電極的要求，并保持反應界面穩定。 為提高雙孔電極的電催化活性，可將高催化活性的組分引入雙孔電極粗孔層，例如用氯鉑酸或硝酸銀溶液浸漬雙孔電極粗孔層，再用還原劑如水合肼還原，即可制備出粗孔層表面擔有高電催化活性組分的雙孔結構電極。這種雙孔結構電極只適用于低溫燃料電池。中南大學冶金科學與工程學院中南大學冶金科學與工程學院中南大學冶金科學與工程學院中南大學冶金科學與工程學院中南大學冶金科學與工程學院中南大學冶金科學與工程學院 在水溶液電解質中，某些含有各種電催化劑的活性炭等材料可被浸潤，同時又是電的良導體。這樣的材料可提供電子導電與液相

22、傳質的通道，但它無法提供反應氣傳遞的氣體通道。加入PTFE等疏水物質，由于其疏水特性，可在電極中形成氣體通道。疏水劑的加入除了提供氣體通道之外，還有一定粘合作用，可使分散的電催化劑聚集體牢固結合。這種電催化劑與疏水劑構成的電極就是粘合型氣體擴散電極。2） 疏水的粘合型電極 這種氣體擴散電極可簡單地視為微觀尺度上相互交錯的雙網絡體系。由疏水劑構成的疏水網絡為反應氣的進入提供了電極內部通道；由電催化劑構成的另一親水網絡可為電解質所完全潤濕，從而提供電子與液相離子傳導通道，并在電催化劑上完成電化學反應。這種電極由于電催化劑外液膜很薄，其極限電流很高。電催化劑是一種高分散體系，只要確保電解液一定的浸入

23、深度，這種電極就能具有較大的真實表面積，既具有高的反應區。中南大學冶金科學與工程學院中南大學冶金科學與工程學院中南大學冶金科學與工程學院中南大學冶金科學與工程學院中南大學冶金科學與工程學院中南大學冶金科學與工程學院3 石棉膜 AFC的隔膜材料是石棉膜。 在石棉膜型堿性燃料電池中，飽浸堿液的石棉膜的作用有二，一是利用其阻氣功能，分隔氧化劑和還原劑；二是為OH-的傳遞提供通道。 石棉的主要成分為氧化鎂和氧化硅（分子式為3MgO.2SiO2.2H2O)，具有均勻的孔結構，為電子絕緣體。長期在濃堿的水溶液中浸泡，其酸性組分與堿反應生成微溶性的硅酸鉀。 為減少石棉膜在濃堿中的腐蝕，可在石棉纖維制膜前用濃

24、堿處理，也可以在涂入石棉膜的濃堿中加入百分之幾的硅酸鉀，抑制石棉膜的腐蝕，減小膜在電池中因腐蝕而導致的結構變化。 因為石棉對人體有害，而且在濃堿中緩慢腐蝕，為改進堿性燃料電池的壽命與性能，已成功開發鈦酸鉀微孔隔膜，并已成功地用于美國航天飛機用堿性燃料電池中。中南大學冶金科學與工程學院中南大學冶金科學與工程學院中南大學冶金科學與工程學院4 雙極板 在堿性燃料電池工作條件下，性能穩定、比較廉價的雙極板材料是鎳和無孔石墨板。 作為航天電源，要求具有高的質量比功率和體積比功率，因此多采用厚度為毫米級的鎂、鋁等輕金屬制備雙極板。如美國用于航天飛機的動態排水石棉膜型堿性燃料電池既采用鎂板鍍銀或鍍金作雙極板

25、。 對地面和水下應用，可采用無孔石墨板或鐵板鍍鎳作雙極板，用腐蝕加工工藝制備點狀或平行溝槽流暢，再鍍鎳作為堿性燃料電池雙極板。 起支撐、集流、分割氧化劑與還原劑作用并引導氧化劑和還原劑在電池內電極表面流動的導電隔板通稱為雙極板。中南大學冶金科學與工程學院中南大學冶金科學與工程學院中南大學冶金科學與工程學院 5.2.3.3 電池的排水與排熱電池的排水與排熱 由單電池構成的電池堆要達到穩定、連續運行，由單電池構成的電池堆要達到穩定、連續運行，必須解決氣流分布問題，確保每個單電池均能獲得必須解決氣流分布問題，確保每個單電池均能獲得充足的燃料與氧化劑。與此同時，還應正確解決電充足的燃料與氧化劑。與此同

26、時，還應正確解決電池的排水問題，即將電池堆電化學反應生成水迅速池的排水問題，即將電池堆電化學反應生成水迅速地排出電池堆，且盡量保證每個單電池能在比較一地排出電池堆，且盡量保證每個單電池能在比較一致的電解液濃度下工作。致的電解液濃度下工作。中南大學冶金科學與工程學院中南大學冶金科學與工程學院中南大學冶金科學與工程學院1 ） 電池的排水電池的排水 對于堿性燃料電池，常用排水方法有動態排水與靜態對于堿性燃料電池，常用排水方法有動態排水與靜態排水兩種。排水兩種。 (1)動態排水動態排水：動態排水法又稱：動態排水法又稱氫循環排水法氫循環排水法。其原。其原理是用泵循環氫氣，將水蒸氣帶出電池，然后在冷凝理是

27、用泵循環氫氣，將水蒸氣帶出電池，然后在冷凝器中將水蒸氣冷疑，回收氫氣。由于水蒸氣的氣相擴器中將水蒸氣冷疑，回收氫氣。由于水蒸氣的氣相擴散和蒸發與冷凝速度均較快，因此，排水速度由氫循散和蒸發與冷凝速度均較快，因此，排水速度由氫循環量、電堆工作溫度和冷凝器工作溫度確定。環量、電堆工作溫度和冷凝器工作溫度確定。 (2)靜態排水靜態排水：原理是在氫氣腔背面加一塊飽吸：原理是在氫氣腔背面加一塊飽吸KOH的排水膜的排水膜(該膜內吸飽的該膜內吸飽的KOH電解液濃度比電解質隔電解液濃度比電解質隔膜內的要濃一些膜的另一側是水腔膜內的要濃一些膜的另一側是水腔)，在多孔陽極，在多孔陽極內部電化學反應生成的水汽化，靠

28、濃差遷移至排水膜內部電化學反應生成的水汽化，靠濃差遷移至排水膜燃料腔一側并冷凝，然后靠濃差遷移通過排水膜，燃料腔一側并冷凝，然后靠濃差遷移通過排水膜，中南大學冶金科學與工程學院中南大學冶金科學與工程學院中南大學冶金科學與工程學院在排水膜水腔側減壓蒸發，借壓差進入冷凝器冷凝、在排水膜水腔側減壓蒸發，借壓差進入冷凝器冷凝、回收。與動態排水一樣，因水的蒸發、冷凝與氣相擴回收。與動態排水一樣，因水的蒸發、冷凝與氣相擴散速度均較快，所以整個排水速度由水在排水膜內遷散速度均較快，所以整個排水速度由水在排水膜內遷移速度決定。移速度決定。 靜態排水控制條件比動態排水少，而且不受氣流分靜態排水控制條件比動態排水

29、少，而且不受氣流分布影響，沒有運動部件，但是，它要在電池堆內增加布影響，沒有運動部件，但是，它要在電池堆內增加一個水腔與一塊排水膜，不僅制作工藝復雜，而且必一個水腔與一塊排水膜，不僅制作工藝復雜，而且必然增加電堆重量。因此，要根據具體應用條件來選取然增加電堆重量。因此，要根據具體應用條件來選取排水方法。排水方法。對于航天用的對于航天用的AFC系統，因有宇宙這一巨大真空源，系統，因有宇宙這一巨大真空源，采用靜態排水法可能比較有利。采用靜態排水法可能比較有利。中南大學冶金科學與工程學院中南大學冶金科學與工程學院中南大學冶金科學與工程學院2 排熱排熱 堿性燃料電池在放電過程中有熱量產生，為了使電堿性

30、燃料電池在放電過程中有熱量產生，為了使電池工作溫度維持在一定范圍內，必須池工作溫度維持在一定范圍內，必須排除多余的反排除多余的反應熱應熱。排熱過程通常與排水過程相結合，特別是在。排熱過程通常與排水過程相結合，特別是在動態排水時，可借助氣體或電解質循環而將電池余動態排水時，可借助氣體或電解質循環而將電池余熱帶出電池堆。熱帶出電池堆。 電解質溶液循環排熱電解質溶液循環排熱是利用泵將電解液泵出電池堆，是利用泵將電解液泵出電池堆，使電解液通過熱交換器，電解液與冷卻劑進行熱交使電解液通過熱交換器，電解液與冷卻劑進行熱交換后再與新鮮電解液混合后進入電池堆循環使用。換后再與新鮮電解液混合后進入電池堆循環使用

31、。在在AFC電池堆中，每隔幾個單電池就要設置一冷卻電池堆中，每隔幾個單電池就要設置一冷卻循環構成排熱系統。一般的循環構成排熱系統。一般的氫氫-氧燃料電池均采用此氧燃料電池均采用此排熱方式排熱方式。然而，對于氫。然而，對于氫-空氣燃料電池，空氣燃料電池，E1eno采采用空氣循環與電解質循環兩種排熱方式。用空氣循環與電解質循環兩種排熱方式。中南大學冶金科學與工程學院中南大學冶金科學與工程學院中南大學冶金科學與工程學院5.2.4 電池運行特性電池運行特性 燃料電池系統的電化學特性優劣可用比能量來判別。燃料電池系統的電化學特性優劣可用比能量來判別。電池比能量的物理意義是電池單位質量或單位體積電池比能量

32、的物理意義是電池單位質量或單位體積所能輸出的電能。所能輸出的電能。它有兩種表達方式，一種叫它有兩種表達方式，一種叫質量比能量質量比能量，以單位質，以單位質量電池輸出的功率量電池輸出的功率(kw/kg)表示；另一種叫表示；另一種叫體積比能體積比能量量，以單位體積電池輸出的功率，以單位體積電池輸出的功率(kw/L)表示。表示。比能量的大小與電池堆及其輔助設備的質量或體積比能量的大小與電池堆及其輔助設備的質量或體積有關。電池堆對比能量的貢獻與有關。電池堆對比能量的貢獻與電池工作電流密度、電池工作電流密度、輸出電壓直接相關。輸出電壓直接相關。中南大學冶金科學與工程學院中南大學冶金科學與工程學院中南大學

33、冶金科學與工程學院電池運行壽命電池運行壽命是電池性能的另一重要指標。在不同是電池性能的另一重要指標。在不同的應用場合，對的應用場合，對AFC系統的使用壽命要求不盡相同。系統的使用壽命要求不盡相同。在某些特殊場合，如航天飛機和火箭系統，在某些特殊場合，如航天飛機和火箭系統，AFC運運行壽命達到行壽命達到5000h甚至僅有甚至僅有1000h已經足夠；而對于已經足夠；而對于另一些場合，如便攜式電源及汽車電源等，要求另一些場合，如便攜式電源及汽車電源等，要求AFC運行壽命在運行壽命在25000h以上；對于電站系統中的以上；對于電站系統中的AFC電池堆，其運行壽命應在電池堆，其運行壽命應在40000h以

34、上。以上。 AFC電池堆的性能及其穩定性受電池堆的性能及其穩定性受諸如電極組成諸如電極組成(電催化劑負載量電催化劑負載量)、氧化劑、氧化劑(O2或空氣或空氣)、工作溫度、工作溫度、工作壓力及電解液中工作壓力及電解液中KOH濃度等因素影響。濃度等因素影響。有關電極與催化劑的作用已在前面講述過。這里，有關電極與催化劑的作用已在前面講述過。這里，僅就氧化劑、工作溫度與工作壓力對電池運行特性僅就氧化劑、工作溫度與工作壓力對電池運行特性的影響作簡單描述。的影響作簡單描述。中南大學冶金科學與工程學院中南大學冶金科學與工程學院中南大學冶金科學與工程學院1）氧化劑對）氧化劑對AFC運行特性的影響運行特性的影響

35、 堿性燃料電池可采用堿性燃料電池可采用O2或空氣或空氣作氧化劑。美國國際燃料電作氧化劑。美國國際燃料電池公司池公司(IFC)與德國與德國Siemens貼主要研究堿性貼主要研究堿性H2-O2燃料電池。燃料電池。而而Elenco研究的研究的AFC系統則多采用空氣作氧化劑。后者研制系統則多采用空氣作氧化劑。后者研制的堿性的堿性H2-空氣燃料電池同時可用空氣燃料電池同時可用O2作氧化劑。據報道，作氧化劑。據報道，E1enco公司的公司的堿性堿性H2-空氣燃料電池若改用空氣燃料電池若改用O2作氧化劑，在作氧化劑，在相同操作條件下，電池堆電流密度相同操作條件下，電池堆電流密度(輸出電壓不變輸出電壓不變)可

36、增加約可增加約50。相反，若將空氣直接用于堿性。相反，若將空氣直接用于堿性H2-O2燃料電池系統則燃料電池系統則會遇到很多麻煩會遇到很多麻煩。究其原因是。究其原因是H2-O2燃料電池中的電極無法燃料電池中的電極無法適應空氣中存在的適應空氣中存在的N2，且對于空氣中雜質，特別是，且對于空氣中雜質，特別是CO2更加更加敏感。敏感。在在AFC系統中究竟采用系統中究竟采用O2還是空氣作氧化劑，要視其還是空氣作氧化劑，要視其具體用途而定。對于航天與國防具體用途而定。對于航天與國防(潛艇潛艇)方面應用的方面應用的AFC系統，系統，O2是唯一的選擇。而作為商業應用的是唯一的選擇。而作為商業應用的AFC系統，

37、如電動汽車系統，如電動汽車動力電源、小型燃料日池電站等，基于安全性與價格等因素，動力電源、小型燃料日池電站等，基于安全性與價格等因素，采用空氣作氧化劑比較合適。采用空氣作氧化劑比較合適。中南大學冶金科學與工程學院中南大學冶金科學與工程學院中南大學冶金科學與工程學院2）工作溫度對）工作溫度對AFC運行持性的影響運行持性的影響 由于低溫條件下的由于低溫條件下的KOH溶液就具有良好的離子導電率，因此，溶液就具有良好的離子導電率，因此，AFC電堆在常溫下工作時的輸出功率就能達到額定工作溫度電堆在常溫下工作時的輸出功率就能達到額定工作溫度(約約343K)時的一半。當電池工作溫度由室溫升至時的一半。當電池

38、工作溫度由室溫升至323-333K時，電池時，電池輸出功率隨工作溫度增加而呈線性增大輸出功率隨工作溫度增加而呈線性增大。若進一步提高電池工作。若進一步提高電池工作溫度，電解質中溫度，電解質中KOH濃度的影響因素必須加以考慮。濃度的影響因素必須加以考慮。Elenco公司公司的研究表明，對于常壓型的研究表明，對于常壓型H2-空氣燃料電池，電解質為空氣燃料電池，電解質為6-7mol/L KOH溶液時的最佳電池工作溫度范圍是溶液時的最佳電池工作溫度范圍是343-353K，而采用，而采用89mol/L的的KOH溶液作電解質時，最佳工作溫度為溶液作電解質時，最佳工作溫度為363K。但是，當。但是，當電池工

39、作溫度升至電池工作溫度升至353K以上時，提高工作溫度對電池性能改進并以上時，提高工作溫度對電池性能改進并不十分明顯。從提高電池系統運行可靠性的角度分析，電池工作不十分明顯。從提高電池系統運行可靠性的角度分析，電池工作溫度不宜選得過高，比較適宜的工作溫度范圍是溫度不宜選得過高，比較適宜的工作溫度范圍是353563K。 在眾多在眾多AFC系統中，一個典型的特例是培根型氫氧燃料電池，系統中，一個典型的特例是培根型氫氧燃料電池，其工作溫度約為其工作溫度約為523K。當時培根采用。當時培根采用30的的KOH作電解液，由于作電解液，由于工作溫度遠遠超過它的正常沸點，所以要加大工作壓力工作溫度遠遠超過它的

40、正常沸點，所以要加大工作壓力(約約5MPa來維持電解液的液體狀態，使電池結構變得十分笨重。來維持電解液的液體狀態，使電池結構變得十分笨重。中南大學冶金科學與工程學院中南大學冶金科學與工程學院中南大學冶金科學與工程學院3）工作壓力對）工作壓力對AFC運行特性的影響運行特性的影響 從理論上講，從理論上講，提高系統工作壓力有利于提高燃料電池性能提高系統工作壓力有利于提高燃料電池性能。目。目前，已經開發應用的燃料電池系統中，有相當一部分是在加壓條前，已經開發應用的燃料電池系統中，有相當一部分是在加壓條件下工作的。件下工作的。美國國際燃料電池公司為航天飛機軌道器制造的堿性隔膜型燃料美國國際燃料電池公司為

41、航天飛機軌道器制造的堿性隔膜型燃料電池，工作壓力為電池，工作壓力為0.41MPa。對于對于AFC系統，工作壓力由反應氣體壓力與堿腔壓力來確定。在系統，工作壓力由反應氣體壓力與堿腔壓力來確定。在電池運行過程中，應使反應氣體室電池運行過程中，應使反應氣體室(陽、陰極室陽、陰極室)與堿腔之間保持一與堿腔之間保持一定的壓差。但是壓差不能過大，要避免氣體室壓力太大導致反應定的壓差。但是壓差不能過大，要避免氣體室壓力太大導致反應氣進入堿腔。若陽、陰極室內氣進入堿腔。若陽、陰極室內H2、O2同時進入堿腔，電池系統將同時進入堿腔，電池系統將會受到極大危害。會受到極大危害。在阿波羅登月飛船用的燃料電池中，電池內

42、腔按壓力為在阿波羅登月飛船用的燃料電池中，電池內腔按壓力為0.34-0.36MPa，氫氣與氧氣室壓力為，氫氣與氧氣室壓力為0.41MPa，反應氣體室與堿腔之間，反應氣體室與堿腔之間的壓差為的壓差為0.049-0.069MPa。中南大學冶金科學與工程學院中南大學冶金科學與工程學院中南大學冶金科學與工程學院4) 電池系統運行實例電池系統運行實例Siemens公司已研制出公司已研制出6-7kW加壓式堿性氫氧燃料加壓式堿性氫氧燃料電池堆。電池堆。7kw電池堆由電池堆由70個單電池組成，電池堆外個單電池組成，電池堆外形尺寸為形尺寸為245mm24hnm1025mm，電池系統總，電池系統總質量為質量為85

43、kg。當電池工作電流密度為。當電池工作電流密度為420mA/m2時，時，電池比能量約為電池比能量約為83W/kg。中南大學冶金科學與工程學院中南大學冶金科學與工程學院中南大學冶金科學與工程學院中南大學冶金科學與工程學院中南大學冶金科學與工程學院中南大學冶金科學與工程學院中南大學冶金科學與工程學院中南大學冶金科學與工程學院中南大學冶金科學與工程學院中南大學冶金科學與工程學院中南大學冶金科學與工程學院中南大學冶金科學與工程學院5.2.5. AFC技術發展技術發展 有關有關AFC技術開發課題是根據其不同應用背景進技術開發課題是根據其不同應用背景進行的。行的。AFC系統的主要應用領域有：系統的主要應用

44、領域有：(1)航天飛行器航天飛行器用動力電源；用動力電源；(2)軍事裝備電源；軍事裝備電源；(3)電動汽車用的動電動汽車用的動力電源；力電源；(4)民用發電裝置。民用發電裝置。 與其他類型的燃料電池一樣，與其他類型的燃料電池一樣，AFC系統的應用受系統的應用受到到經濟可行性與電池性能經濟可行性與電池性能兩方面因家的制約。電池兩方面因家的制約。電池技術開發重點是技術開發重點是提高電池系統性能、降低電池造價提高電池系統性能、降低電池造價與操作費用、增強與其他燃料電他的競爭能力。與操作費用、增強與其他燃料電他的競爭能力。中南大學冶金科學與工程學院中南大學冶金科學與工程學院中南大學冶金科學與工程學院1

45、） 提高電池性能提高電池性能 在在AFC技術開發過程中，提高電池系統性能主要從以技術開發過程中，提高電池系統性能主要從以下幾個方面入手。下幾個方面入手。(1)改進改進AFC電極結溝與電催化劑，提高電極比催化活性，電極結溝與電催化劑，提高電極比催化活性，有效提高電池堆比能量。有效提高電池堆比能量。 (2)開發性能穩定的電催化劑，提高電池性能的穩定性，開發性能穩定的電催化劑，提高電池性能的穩定性，降低電池性能衰減速度，延良電池使用壽命。降低電池性能衰減速度，延良電池使用壽命。 (3)簡化簡化AFC系統中的輔助設備，提高電池系統比能量。系統中的輔助設備，提高電池系統比能量。 (4)采用先進的儀器設備

46、對所有電池的組成構件進行有效采用先進的儀器設備對所有電池的組成構件進行有效的質量控制，使整個的質量控制，使整個AFC系統可靠性達到最優化。系統可靠性達到最優化。中南大學冶金科學與工程學院中南大學冶金科學與工程學院中南大學冶金科學與工程學院2 改善電池系統經濟性改善電池系統經濟性 (1)降低電極中貴金屬催化劑負載量，開發非貴金降低電極中貴金屬催化劑負載量，開發非貴金屬電極催化劑，減少電極材料費。屬電極催化劑，減少電極材料費。 (2)APC需要用純氫作燃料，為擴大其應用范圍，需要用純氫作燃料，為擴大其應用范圍，必須改進氫氣儲存方式。目前，貯氫合金材料的研究必須改進氫氣儲存方式。目前，貯氫合金材料的

47、研究取得可喜成果，這為取得可喜成果，這為AFC的貯氫問題提供了的貯氫問題提供了 一條新一條新的解決途徑。的解決途徑。 (3)對于大功率對于大功率AFC系統，必須開發流程簡單、投系統，必須開發流程簡單、投資少的燃料轉化與分離技術，獲得廉價的純氫。從當資少的燃料轉化與分離技術，獲得廉價的純氫。從當前燃料電池技術發展趨勢來看，由于前燃料電池技術發展趨勢來看，由于AFC需用純氫作需用純氫作燃料，限制了燃料，限制了AFC的應用范圍和發展前景。在的應用范圍和發展前景。在AFC商業化過程中，燃料轉化與分離費用的提高，使得商業化過程中，燃料轉化與分離費用的提高，使得AFC與其他燃料電池如與其他燃料電池如SOF

48、C，MOFC等的競爭力下等的競爭力下降。降。中南大學冶金科學與工程學院中南大學冶金科學與工程學院中南大學冶金科學與工程學院(3)對于大功率對于大功率AFC系統，氫氣來源是多樣化的，系統，氫氣來源是多樣化的，包括天然氣、甲醇、石油和煤等燃料。必須開發包括天然氣、甲醇、石油和煤等燃料。必須開發流程簡單、投資少的燃料轉化與分離技術，獲得流程簡單、投資少的燃料轉化與分離技術，獲得廉價的純氫。從當前燃料電池技術發展趨勢來看，廉價的純氫。從當前燃料電池技術發展趨勢來看，由于由于AFC需用純氫作燃料，限制了需用純氫作燃料，限制了AFC的應用范的應用范圍和發展前景。在圍和發展前景。在AFC商業化過程中，燃料轉

49、化商業化過程中，燃料轉化與分離費用的提高，使得與分離費用的提高，使得AFC與其他燃料電池如與其他燃料電池如SOFC，MOFC等的競爭力下降。等的競爭力下降。LOGOu AFC優點：優點：1. 1. 能量轉化效率高能量轉化效率高。堿性燃料電池操作電壓在。堿性燃料電池操作電壓在0.80.95 V0.80.95 V時，其電能轉換效率可高達時，其電能轉換效率可高達6070%6070%。這。這是由于在堿性介質中氧的還原反應在相同觸媒（如：是由于在堿性介質中氧的還原反應在相同觸媒（如：鉑鉑/ /碳、鉑）上反應速率比在其他電池高的緣故。碳、鉑）上反應速率比在其他電池高的緣故。2. 2. 可使用非鉑觸媒可使用

50、非鉑觸媒，如：雷尼金屬，硼化鎳等，不但，如：雷尼金屬，硼化鎳等，不但可降低成本，也不受鉑資源的限制。可降低成本，也不受鉑資源的限制。3. 3. 其結構可使用塑膠其結構可使用塑膠，或非貴重與稀有金屬等較為便，或非貴重與稀有金屬等較為便宜的材料。如，鎳在堿性燃料電池的工作溫度下，宜的材料。如，鎳在堿性燃料電池的工作溫度下，面對電池中的堿性電解質具有化學穩定性。因此，面對電池中的堿性電解質具有化學穩定性。因此，可采用鎳板或鍍鎳金屬板作雙極板。可采用鎳板或鍍鎳金屬板作雙極板。4. 4. 瞬間啟動快且操作溫度范圍廣瞬間啟動快且操作溫度范圍廣，即便在結冰溫度下，即便在結冰溫度下仍能正常運行。仍能正常運行。5. 5. 熱管理較為容易熱管理較為容易。LOGOu 缺點：缺點：1. 1. 以空氣作為堿性燃料電池的氧化劑，必須以空氣作為堿性燃料電池的氧化劑，必須清除空清除空氣中所含的二氧化碳氣中所含的二氧化碳。2. 2. 當以各種碳氫化合物的重整改質氣體作為燃料氣當以各種碳氫化合物的重整改質氣體作為燃料氣體時，體時，必須去除氣體中