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第四章碱性燃料电池碱性燃料电池（Alkaline Fuel Cell）是最早研究成功并得以应用的燃料电池。
应用：20世纪60年代初期，碱性燃料电池用于阿波罗航天飞机，这是碱性燃料电池首次出现在实际应用中，它展现出高比功率、高能量转化效率和运行高度可靠的特点。
示范性的碱性燃料电池被用于驱动式农用拖拉机（Ihrig，1960）、汽车（Kordesh，1971）、起重机等方面，另外，它还能够为船只提供动力及用于海上导航设备。
主要问题：虽然这些示范性碱性燃料电池系统大多性能卓越，但是，诸如成本、易操作性、坚固耐用性以及安全等问题却很难解决。
碱性燃料电池以强碱（如KOH溶液）为电解质。
在低温AFC（低于120℃）中，使用的KOH溶液的质量百分比含量为30%-45%；高温AFC（约260℃)中，KOH溶液的质量百分比含量可达85%。
它以氢为燃料，氧为氧化剂，能量转化效率可达70%，工作电压通常在0.5-0.9V。
与酸性电解质相比，碱性电解质中阴极的活性过电位较低，不仅可以使用低载量的贵金属催化剂，还可以用非贵金属作为电极催化剂。
除此之外，碱性燃料电池成本低，使用的电极材料和电解质（如KOH）比较便宜，具有价格优势。
•通常AFC 由两个多孔电极以及多孔电极之间的碱性电解质组成，工作原理具体过程为：E 0=1.229V 总反应：H 2+1/2O 2→H 2O 碱性燃料电池是以强碱为电解质，氢为燃料，氧为氧化剂的燃料电池，在阳极，氢气与碱中的OH －在电催化剂作用下，发生氧化反应生成水和电子：H 2+2OH -2H 2O+2e -E 0=－0.828v 氢电极反应生成的电子通过外电路到达阴极，在阴极电催化剂的作用下，参与氧的还原反应：1／2O 2+H 2O+2e -2OH -E 0＝0.401v生成的OH －通过饱浸碱液的多孔石棉膜迁移到氢电极。
静态电解液保持体：石棉膜•阳极侧产生水，而阴极侧氧气还原消耗水，需要等速地从阳极侧排出反应生成的水，从而维持电解液浓度的恒定。
碱性燃料电池（AFC）是第一个燃料电池技术的发展，最初由美国航空航天局的太空计划，同时生产电力和水的航天器上。
AFCS继续使用NASA航天飞机上的整个程序中，除了数量有限的商业应用原理：使用的电解质为水溶液或稳定的氢氧化钾基质，且电化学反应也与羟基（-OH）从阴极移动到阳极与氢反应生成水和电子略有不同。
这些电子是用来为外部电路提供能量，然后才回到阴极与氧和水反应生成更多的羟基离子。
负极反应：2H2 + 4OH- → 4 H2O + 4e-正极反应：O2 + 2H2O + 4 e- → 4OH-碱性燃料电池的工作温度大约80℃。
因此，它们的启动也很快，但其电力密度却比质子交换膜燃料电池的密度低十来倍，在汽车中使用显得相当笨拙。
不过，它们是燃料电池中生产成本最低的一种电池，因此可用于小型的固定发电装置。
如同质子交换膜燃料电池一样，碱性燃料电池对能污染催化剂的一氧化碳和其它杂质也非常敏感。
此外，其原料不能含有二氧化碳，因为二氧化碳能与氢氧化钾电解质反应生成碳酸钾，降低电池的性能。
熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）是由多孔陶瓷阴极、多孔陶瓷电解质隔膜、多孔金属阳极、金属极板构成的燃料电池。
其电解质是熔融态碳酸盐。
反应原理如下：放电：正极： O2+2CO2+4e-=2co-3负极：2H2 + 2CO32- -4e-→ 2CO2 + 2H2O总反应：O2 + 2H2 → 2H2O熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）是一种高温电池（600℃～700℃），具有效率高（高于40%）、噪音低、无污染、燃料多样化（氢气、煤气、天然气和生物燃料等）、余热利用价值高和电池构造材料价廉等诸多优点，是下一世纪的绿色电站。
熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）也可使用NiO作为多孔阴极，但由于NiO溶于熔融的碳酸盐后，会被H2、CO还原为Ni，容易造成短路磷酸燃料电池（PAFC）是当前商业化发展得最快的一种燃料电池。
正如其名字所示，这种电池使用液体磷酸为电解质，通常位于碳化硅基质中。
碱性燃料电池原理
碱性燃料电池（Alkaline Fuel Cells，简称AFC）是一种将化学能直接转化为电能的装置。
其原理基于氢气（H2）和氧气
（O2）在电解质溶液中发生氧化还原反应，产生水和电能的
过程。
碱性燃料电池的核心是一个由阳极和阴极组成的电化学反应区。
阳极通常由氢气电极催化剂组成，阴极则是氧气电极催化剂。
两个电极之间有一层带有溶剂和电解质的碱性介质。
在反应发生时，氢气在阳极上发生氧化反应，生成氢离子（H+）和电
子（e-）。
氧气在阴极上发生还原反应，与氢离子结合生成水（H2O）。
电子则通过外部电路释放出来，产生电流。
整个反应过程可以表示为以下两个半反应：
1. 阳极反应：H2 → 2H+ + 2e-
2. 阴极反应：O2 + 2H+ + 2e- → H2O
因此，碱性燃料电池的总反应是：
H2 + 1/2O2 → H2O
相比其他类型的燃料电池，碱性燃料电池具有高效、低成本、高电压输出和长寿命等特点。
然而，碱性燃料电池需要在电解质中加入碱性成分，如氢氧化钾（KOH），使得其对电解质
的要求较高。
此外，在氧气电极上使用贵金属催化剂（如铂）也导致其成本较高。
碱性燃料电池的应用领域广泛，包括蓄电池系统、电动汽车、
航天器和能源储存等。
随着燃料电池技术的进一步发展，碱性燃料电池有望成为清洁能源领域的重要组成部分。
燃料电池原理燃料电池是一种利用氧化还原反应来直接转化化学能为电能的器件。
它具有高效、清洁、低噪音等特点，在未来能源领域具有巨大的应用前景。
本文将介绍燃料电池的原理，包括其工作原理、构成和不同类型的燃料电池。
一、燃料电池的工作原理燃料电池基于电化学原理，通过电化学反应将燃料中的化学能直接转化为电能。
其工作原理可以概括为以下几个步骤：1. 氧化反应：在燃料电池的正极（阳极），氧气分子（O2）从气态或溶液中被还原成氧离子（O2-）。
这个过程需要提供电子，因此正极是一个电子供应器。
2. 燃料反应：在燃料电池的负极（阴极），燃料分子（如氢气或甲醇）在氧离子的存在下被氧化成水或二氧化碳等产物。
在这个过程中，电子被释放出来，因此负极是一个电子接收器。
3. 电子传导：在燃料电池内部，正极和负极之间通过电解质将电子传输到负极。
电解质通常是一种离子导体（如质子交换膜、固体氧化物燃料电池中的氧离子导体等），它能够离子化并传输正负离子。
4. 电路连接：在外部电路中，正极和负极通过导线连接，这样电子就能在外部电路中流动，完成电能的传输。
总而言之，燃料电池通过氧化还原反应将燃料中的化学能转化为电能。
这个过程是连续的，只要有燃料和氧气的供应，燃料电池就能持续地产生电能。
二、燃料电池的构成燃料电池通常由几个重要部分组成，包括：1. 阳极：也称正极，是氧化反应发生的地方。
常见的阳极材料有铂、铂合金等。
2. 阴极：也称负极，是燃料反应发生的地方。
常见的阴极材料有铂、铂合金等。
3. 电解质：用于传导正负电荷的物质。
根据不同类型的燃料电池，电解质可以为质子交换膜、氧离子导体等。
4. 燃料供应系统：用于提供燃料至燃料电池中。
不同类型的燃料电池使用不同的燃料，如氢气（燃料电池中最常用的燃料）、甲醇等。
5. 氧气供应系统：用于提供氧气至燃料电池中。
氧气可以从空气中提取或通过压缩氧气等方式供应。
以上是燃料电池的基本组成部分，不同类型的燃料电池可能还包括冷却系统、压力控制系统等其他辅助设备。
碱性直接乙醇燃料电池的过氧化氢作为氧化剂性能碱性直接乙醇燃料电池（DEFC）与过氧化氢作为氧化剂的开发和测试。
本燃料电池由一个非铂阳极，一个阴离子交换膜和非铂阴极的。
它表明，该燃料电池的峰值功率密度为130mWcm-2，在60 C（160mWcm？2AT80℃），这比同型燃料电池的设置，但用氧作为氧化剂的高44％。
改进的每一致性好的，与用氧气作为氧化剂的燃料电池相比，主要归因于过氧化氢的还原反应，并与液体氧化剂相关的减少欧姆损耗的优异电化学动力学。
碱性直接氧化燃料电池（DOFC）各种液体燃料，这应许是一个干净，高效的能源生产技术，最近吸引了全世界的关注[1E5]。
中所使用的燃料，乙醇已被公认为是最理想的燃料，因为它是碳中性的，可持续的燃料和具有许多独特的物理化学性质，包括高的能量密度和易于运输，储存以及处理。
因此，巨大的努力已经取得了碱性直接乙醇燃料电池（DEFC）在过去十年的发展[6E10]。
然而，对阻碍这种类型的燃料电池商业化的主要问题之一是碳化问题与CO 2在阴极上存在当用空气作为氧化剂[11]相关联。
一方面，碳酸DCO2？3日，其由二氧化碳之间在空气中和的化学反应产生的OH？离子在阴极处，可导致在这两个膜和阴极催化剂层（CL）的离子传导性的降低，从而提高了电荷输送性[12]。
但是应当注意的是，作为碱被加入到乙醇溶液中，OH？离子也来自除由氧还原反应（ORR）[13]所产生的阳极（碱交叉）。
另一方面，碱渗透到阳极使碳化沉淀在阴极，它不仅覆盖了活性位点和连块的电极的孔中，从而降低了氧还原动力学，增加氧气的themass输送阻力，分别[14 】，同时也降低了疏水性电极，降低除水的能力，从而增加氧[15]的质量传递阻力。
因此，至关重要的是要避免在碱性DEFCs的阴极CO2存在。
一种方法是将包括在阴极外的空气滤波器，分离CO 2 fromthe 空气，与该无CO2的空气，可以供给到阴极。
然而，包括空气滤波器不仅使燃料电池系统更加笨重，同时也增加了设计的复杂的想法。
第四章碱性燃料电池碱性燃料电池（Alkaline Fuel Cell）是最早研究成功并得以应用的燃料电池。
应用：20世纪60年代初期，碱性燃料电池用于阿波罗航天飞机，这是碱性燃料电池首次出现在实际应用中，它展现出高比功率、高能量转化效率和运行高度可靠的特点。
示范性的碱性燃料电池被用于驱动式农用拖拉机（Ihrig，1960）、汽车（Kordesh，1971）、起重机等方面，另外，它还能够为船只提供动力及用于海上导航设备。
主要问题：虽然这些示范性碱性燃料电池系统大多性能卓越，但是，诸如成本、易操作性、坚固耐用性以及安全等问题却很难解决。
碱性燃料电池以强碱（如KOH溶液）为电解质。
在低温AFC（低于120℃）中，使用的KOH溶液的质量百分比含量为30%-45%；高温AFC（约260℃)中，KOH溶液的质量百分比含量可达85%。
它以氢为燃料，氧为氧化剂，能量转化效率可达70%，工作电压通常在0.5-0.9V。
与酸性电解质相比，碱性电解质中阴极的活性过电位较低，不仅可以使用低载量的贵金属催化剂，还可以用非贵金属作为电极催化剂。
除此之外，碱性燃料电池成本低，使用的电极材料和电解质（如KOH）比较便宜，具有价格优势。
•通常AFC 由两个多孔电极以及多孔电极之间的碱性电解质组成，工作原理具体过程为：E 0=1.229V 总反应：H 2+1/2O 2→H 2O 碱性燃料电池是以强碱为电解质，氢为燃料，氧为氧化剂的燃料电池，在阳极，氢气与碱中的OH －在电催化剂作用下，发生氧化反应生成水和电子：H 2+2OH -2H 2O+2e -E 0=－0.828v 氢电极反应生成的电子通过外电路到达阴极，在阴极电催化剂的作用下，参与氧的还原反应：1／2O 2+H 2O+2e -2OH -E 0＝0.401v生成的OH －通过饱浸碱液的多孔石棉膜迁移到氢电极。
静态电解液保持体：石棉膜•阳极侧产生水，而阴极侧氧气还原消耗水，需要等速地从阳极侧排出反应生成的水，从而维持电解液浓度的恒定。
除此之外，反应生成的热量也要及时排出以维持电池温度的恒定。
•KOH和NaOH溶液以其成本低，易溶解，腐朽性低的特点而成为AFC首选的电解质。
由于碱性电解质易与空气中的CO2反应生成碳酸盐，且KOH与CO2反应生成的K2CO3的溶解度比NaCO3的溶解度要高，所以通常选用KOH溶液2作为电解质。
•作为AFC电催化剂需要满足以下几个条件：•对于阳极氢气电氧化反应，常以雷尼Ni为基体材料用作催化剂。
对于阴极氧气电还原反应，常用Ag做催化剂。
（1）在碱性条件下对氢气氧化或氧气还原具有催化活性；（2）在碱性条件下具有化学和电化学稳定性；（3）具有良好的导电性或能担载在具有良好导电性的载体上，如炭黑。
•对于阳极氢气电氧化反应，常以雷尼Ni为基体材料用作催化剂。
对于阴极氧气电还原反应，常用Ag做催化剂。
4.3.1 电催化剂• 1.阳极催化剂•由于Pt、Pd等贵金属对氢电化学氧化具有较高的催化活性，因此，对氢在金属Pt电极上的电催化氧化过程的研究最为详尽。
但贵金属价格昂贵，为了降低成本，增大氢与催化剂的接触面积，通常把Pt、Pd等贵金属分散到碳表面，这样不仅可以使其活性表面积增大，同时碳载体还可为反应物提供物质传输通道，增大散热表面积，提高贵金属的热稳定性。
•为了提高催化剂的电催化活性以及抗CO中毒能力，通常向Pt中加入第二、第三组分金属，如Pt-Ag、Pt-Rh等二元及Ir-Pt-Au、Pt-Pd-Ni等三元合金催化剂都表现出较好的氢电氧化催化活性，并且降低了电极中Pt载量。
•此外，利用储氢合金在室温下能可逆吸放氢的性能，对多种储氢合金的氢电氧化催化活性的研究表明，氢气可先吸附在储氢合金上，然后在储氢合金表面分解成氢原子，发生电化学氧化反应，具体过程为：•H2+2M→2M-H （4.4）•M-H+OH-→M+H2O+e-（4.5）•M和M-H分别代表催化剂和催化剂上吸附氢的中间相。
2. 阴极催化剂由于氧在碱性电解质中具有较快的动力学反应速度，因此AFC阴极催化剂可以使用贵金属催化剂，也可以使用多种非贵金属催化剂。
•氧气的电还原催化活性最高的材料：Pt、Pd等贵金属。
•贵金属催化活性高、化学稳定性好，但受到价格和资源等因素的制约。
其中Ag是AFC中研究得最多的非贵金属催化剂。
其良好的催化活性、稳定性和电子导电性，可以使氧迅速分解、还原，因此，在碱性、低温条件下可替代Pt。
•Ag-O2的相互作用较弱，O-O键断裂比较困难，一般加入Co、Mg等金属。
•4.3.2电极结构与制备工艺•电极是电化学反应发生的场所，为了确保电极具有高度稳定的气、液、固三相反应界面，通常采用多孔气体扩散电极。
(a)多孔气体扩散电极能够为反应物提供较大的反应面积，有利于物质传导。
(b)多孔电极的比表面积要比其几何面积大几个数量级。
为了增加电极的空隙度，有时在电极制备过程中还要加一些造孔剂。
根据电极表面性质的不同，将其分为亲水电极和疏水电极。
（1）亲水电极是由金属粉末构成的。
这种电极的气体扩散层的孔径比反应层的孔径大。
毛细作用保证小孔中含有电解质，多孔金属电极比较重，但具有较高的电导率，也可用在单极板电池结构上。
一般亲水电极结构又分双孔电极结构和雷尼金属电极结构。
•双孔电极结构，有两种孔结构：粗孔层和细孔层。
其粗孔层孔径≥30um，细孔层孔径≤16um，电极厚度约为1.6mm。
其中细孔层与液体电解质相接触，而粗孔层与气体相接触。
电池工作时，只要将反应气与电解质控制在一定的压差内，便能够使反应在一个特定的界面上进行。
必须仔细控制气体和电解质之间的压差，确保气液界面在一个合适的位置。
雷尼金属电极是另一种多孔结构电极。
这种电极是将活性金属（如Ni）和一种非活性金属（如Al）进行混合，形成以活性组分为骨架的明显的分区结构，然后经过处理，除掉非活性组分，留下空孔区域。
常用的雷尼镍就是将重量比1:1的镍粉和铝粉制成合金，然后用饱和KOH溶液将大部分铝溶解，从而得到镍的多孔结构，反应式为:2Ni-Al+2NaOH+2H2O→2NaAlO2+3H2+2Ni （4.8）（2）疏水电极是掺有聚四氟乙烯等疏水剂的黏合型电极。
现代电极趋向于使用碳载催化剂，将其与聚四氟乙烯混合，然后压在镍网上面，制备成疏水电极。
为了提高三相反应界面，一个好的电极需要提供电子、液体和气体通道。
为了防止电解质通过电极，可以在电极表面涂抹薄薄的一层聚四氟乙烯，而不用对反应气体加压。
有时也可向疏水电极中加入碳纤维，以增加其强度、传导性和粗糙度。
25 4.3.3 石棉膜AFC的隔膜材料是石棉膜。
在石棉膜型碱性燃料电池中，饱浸碱液的石棉膜的作用有二，一是利用其阻气功能，分隔氧化剂和还原剂；二是为OH-的传递提供通道。
石棉的主要成分为氧化镁和氧化硅（分子式为3MgO.2SiO2.2H2O），具有均匀的孔结构，为电子绝缘体。
长期在浓碱的水溶液中浸泡，其酸性组分与碱反应生成微溶性的硅酸钾。
为减少石棉膜在浓碱中的腐蚀，可在石棉纤维制膜前用浓碱处理，也可以在涂入石棉膜的浓碱中加入百分之几的硅酸钾，抑制石棉膜的腐蚀，减小膜在电池中因腐蚀而导致的结构变化。
因为石棉对人体有害，而且在浓碱中缓慢腐蚀，为改进碱性燃料电池的寿命与性能，已成功开发钛酸钾微孔隔膜，并已成功地用于美国航天飞机用碱性燃料电池中。
264.3.4双极板在碱性燃料电池工作条件下，性能稳定、比较廉价的双极板材料是镍和无孔石墨板。
作为航天电源，要求具有高的质量比功率和体积比功率，因此多采用厚度为毫米级的镁、铝等轻金属制备双极板。
如美国用于航天飞机的动态排水石棉膜型碱性燃料电池既采用镁板镀银或镀金作双极板。
对地面和水下应用，可采用无孔石墨板或铁板镀镍作双极板，用腐蚀加工工艺制备点状或平行沟槽流畅，再镀镍作为碱性燃料电池双极板。
起支撑、集流、分割氧化剂与还原剂作用并引导氧化剂和还原剂在电池内电极表面流动的导电隔板通称为双极板。
•通常AFC使用的电解质是KOH水溶液，浓度一般为30%-45%。
按照其流动方式可分为循环和静态两种类型。
•由于空气中所含的CO2会与KOH发生反应生成K2CO3，如式（4.9）所示，而使电解液中OH-的浓度减少，电导率降低，导致燃料电池效率降低。
2KOH+CO2→K2CO3+H2O （4.9）动态电解质的主要优势在于电解质能够随时被去除和更换。
循环电解质通过更新电解液，使KOH水溶液在电池内进行循环流动，有利于去除电解液中生成的碳酸盐，并不断补充OH-。
循环电解质的缺陷是增加了AFC的复杂性，因为电解质循环系统需要一些附加系统，如泵和管路等。
KOH具有一定的腐朽性，而且KOH溶液的表面张力也使其容易渗入到管路的缝隙中，这就增加了管路泄露的可能性。
•静态电解质的管理方式是将KOH溶液固定在两个电极之间的隔膜材料里，如石棉隔膜。
隔膜材料需要有很好的孔隙率、强度和抗腐朽性能。
•饱浸碱液石棉隔膜可以起到分隔氧化剂和燃料，提供OH-传递通道的作用。
•由于静态电解质无法像循环电解质系统一样，可以随时更换电解质，所以，为了避免电解质受到CO的毒化作用，2采用静态电解质系统的AFC必须使用纯氧为氧化剂。
采用静态电解质系统的AFC基本结构如图4.7所示。
与循环电解质系统相比，无其他附属装置。
如图4.7•使用静态电解质管理系统的AFC的问题在于水、热管理。
由于电解质是静态的，而电池工作时，阳极产生水，阴极消耗水，因此，水管理的关键就在于如何使阳极产生的水及时排出，避免过量的水进入气体通道，导致电极被淹；另一方面还要确保阴极有足够的水进行补充。
除此之外，还需要冷却系统对AFC进行冷却。
•由于静态电解质系统较为简单，所以，使用这种系统的AFC常被应用在航天领域，而且，阳极生成的水还可以用于饮用并充当冷却系统的冷却剂。
地面上的应用毒化的影响，造成AFC的失效。
则往往受到空气中CO2另外，AFC使用的石棉隔膜材料对人体有致癌作用，在很多国家已禁止使用。
近年来，有人尝试将阴离子固体聚合物电解质应用在碱性燃料电池中。
法国工业电化学实验室科研人员制备了一种含有嵌段共聚物聚环氧乙烯（PEO）的固体聚合物电解质，其离子电导率为10-3S.cm-1。
如果这种固体聚合物电解质能够在碱性燃料电池中使用，不仅可以避免目前碱性燃料电池存在的电解质泄露等问题，还可以提高碱性燃料电池的体积能量密度。
•4.5.1 操作压力•从热力学角度,提高系统工作压力有利于提高AFC 的性能，这一点可以从AFC 总反应的Nernst 方程式看出:随着氧气和氢气压力的增加；电池电动势也随之增加，而且其增加值与反应气压力对数成正比。
(4.10)从动力学角度，压力的增加会导致交换电流密度的增大，从而降低电池阴极上的活化过电位。
