[科普中国]-阿波罗碱性燃料电池

1839年，第一块燃料电池在英国被发明出来。这种以铂黑为电极催化剂的、简单的氢氧燃料电池的首次应用。是点亮了伦敦讲演厅的照明灯。1889年，燃料电池这一名称被正式采用。由于各种原因，燃料电池的研究直到20世纪50年代才有了实质性的进展，直到今天，燃料电池的技术已取得了巨大的进展。1

原理碱性燃料电池(AFC)是采用氢氧化钾等碱性水溶液作电解液，在100℃以下工作的电池。燃料气体采用纯氢。氧化剂气体采用氧气或者空气，是一种利用氢氧离子的燃料电池。理论电压为1.229伏(25℃)。实际上，空气极的反应不是一次完成，而是，首先生成过氧化氢阴离子和氢氧根阴离子，在有分解过氧化氢阴离子的催化剂作用下，继续反应而成。由于经历了上面的反应步骤，开路电压为1.1V以下，而且空气极催化剂的不同，电压也不一样。在使用诸如铂或者银等加速过氧化氢阴离子分解的催化剂时，开路电压就会接近理论电压。碱性燃料电池具有与磷酸电解液相比。氧气的还原反应具有更容易进行，功率高，可在常温下启动；催化剂不一定使用铂系贵金属；二氧化碳会使电解液变质，性能降低的特征。

碱性燃料电池电池堆是由一定大小的电极面积、一定数量的单电池层压在一起，或用端板固定在一起而成。根据电解液的不同主要分为自由电解液型和担载型。1

简介用于宇宙航天燃料电池的代表例子是阿波罗宇宙飞船(1918—1972年)的自由电解液型PC3A-电池和宇宙飞船(1981年)的担载型PCI7-C电池。

担载型与磷酸燃料电池同样，都是用石棉等多孔质体来浸渍保持电解液，为了在运转条件变动时，可以调节电解液的增减量，这种形状的电池堆，安装了贮槽和冷却板。作为宇宙飞船电源的PCI7-C中，每2个电池就安装了一片冷却板。自由电解液型具有电解液在燃料极和空气极之间流动的特征，电解液可以在电池堆外部进行冷却和蒸发水分。在构造方面，虽然不需要在电池堆内部装冷却板和电解液贮槽，但是由于需要将电解液注人各个单电池内，因此要有共用的电解液通道。如果通道中电解液流失，则会降低功率，影响寿命。 1

结构电极电极作为电化学反应进行的场所，对反应起着高效催化的作用，是体系的关键。阳极和阴极的类型及制作方式与所选择的催化剂相关。催化剂的效能决定了整个体系的性能。AFC的催化剂选择比较灵活，不仅贵金属(铂、铑、金、银)及其合金适用，非贵金属(钴、镍、锰)也适用，从结构上可分为两类：一类是高比表面积的雷尼(Raney)金属，通常以雷尼镍为基体材料作阳极，银基催化剂为阴极；另一类是高分散的负载型催化剂，即将铂类催化剂高分散地负载到高比表面积、高导电性的载体(如碳)上。催化剂分散于载体基材上，就构成电极。整个电极要工作于气、固、液三相界面，并且要保证反应高效平稳地运行。

隔膜隔膜允许电解质通过，用以传递电子，并且约束阴阳极物质，避免接触而发生内部放电。常规的隔膜主要由石棉构成，主要成分为氧化镁和氧化硅的水合物，是电的绝缘体。长期在强碱性(如KOH)水溶液中，其酸性组分会与碱反应生成微溶物，影响膜的通透性，而且会最终导致隔膜解体。为了避免这种情况，可以在制膜之前将石棉预先用浓碱处理，或是在碱溶液中加入少量硅酸盐，以抑制平衡向不利方向移动。

电解质碱性燃料电池的电解质通常是氢氧化钾水溶液。选择氢氧化钾是因为与氢氧化钠相比，它的适用寿命长，不易形成溶解度小的杂质，而且溶液蒸气压低，在高温下可以使用，在高温和高浓度下可以获得高电流密度。同体系所用的燃料气一样，电懈质溶液也需要纯化，以避免杂质造成催化剂中毒。在电池反应中有水生成，致使电解质溶液浓度漂移，从而会对燃料电池的一系列指标均造成影响。

综合上述两方面的原因，一般采用电解质循环使用方法。这方面也一直是技术改进的一个重点。现在成熟的方案中，不但可通过循环过程稳定控制电解质，而且还可合理利用这个过程来满足其他方面的要求，如用来冷却电池组。这些措施起到了一举多得的作用，也提高了能源利用率，降低了成本。2

相关概念碱性燃料电池(alkaline fud cell，简称AFC)，是以氢氧化钾水溶液为电解质的燃料电池。氢氧化钾的质量分数一般为30%～45%，最高可达85%。在碱性电解质中氧化还原比在酸性电解质中容易。AFC是20世纪60年代大力研究开发并在载人航天飞行中获得成功应用的一种燃料电池，可以为航天飞机提供动力和饮用水，并且具有高比功率和比能量。2

本词条内容贡献者为:

黎明 - 副教授 - 西南大学