[科普中国]-碱性落膜燃料电池

碱性落膜燃料电池是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。

简介电动车辆和规模化储能等新能源产业的发展，以及高性能便携式电子设备的进步，迫切需要高效、清洁的电化学储能系统。目前广泛使用的锂离子电池的能量密度已接近理论极限，无法满足对储能系统的迫切要求。因此，全世界都在积极探索下一代的电化学储能系统。1

燃料电池（fuel cells，FC）是一种可以将储存在燃料和氧气中的化学能直接转化为电能的电化学储能装置。普通的内燃机由于需要经历热机过程，受卡诺循环的限制，其能量转化率大多低于 15%，燃料电池不受此限制，因而具有很高的能量转化率，一般为 40%~60%，如果将余热充分利用，甚至可以高达 90%。此外，燃料电池在工作时，其反应产物一般只有 H2O 和CO2，很少会排放出 NOx和 SOx，

因而不会污染环境，是新一代的绿色能源。燃料电池在工作时排出的二氧化碳量，也低于传统火力发电厂的 60%。可见，燃料电池对解决目前全世界所面临的能源安全(Energy Security)和环境保护(Environment Protection)两大难题都具有极其重要的意义。同时，燃料电池由于具有高效、绿色、安全等优点，被认为是 21 世纪的新能源之星。

目前，国内外学者对已研究开发出来的燃料电池，按照电解质的种类进行分类，主要分为 5 种：碱性落膜燃料电池（AFC），一般用 6~8 mol·L-1的 KOH 溶液作为电解质；磷酸型燃料电池（PAFC），大多以质量分数为 98wt%左右的浓 H3PO4溶液为电解质；熔融碳酸盐燃料电池（MCFC），大多将 Li2CO3和 K2CO3按一定比例混合后作为电解质；质子交换膜燃料电池（PEMFC），通常采用美国 Du Pont 公司生产的 Nafion 膜作为电解质；固体氧化物燃料电池（SOFC），采用 YSZ（Y2O3掺杂稳定的 Zr O2）等作为氧离子导体。

在众多类型的燃料电池中，碱性落膜燃料电池(AFC)技术是最成熟的。从 20 世纪60 年代到 80 年代，国内外学者深入广泛地研究并开发了碱性落膜燃料电池。但是在80 年代以后，由于新的燃料电池技术的出现，例如 PEMFC 使用了更为便捷的固态电解质而且可以有效防止电解液的泄漏，AFC 逐渐褪去了其原有的光彩。但是，通过 PEMFC 和 AFC 之间的对比，不难发现理论上 AFC 的性能要优于 PEMFC，甚至早期的 AFC 系统都可以输出比现有 PEMFC 系统更高的电流密度。成本分析表明：AFC 系统用于混合动力电动车与 PEMFC 相比要更有优势。与 PEMFC 相比，AFC 在阴极动力学和降低欧姆极化方面具有很多优势；碱性体系中的氧还原反应(ORR)动力学比酸性体系中使用 Pt 催化剂的 H2SO4体系和使用 Ag催化剂的HCl O4体系都要更高。同时，碱性体系的弱腐蚀性也确保了 AFC 能够长期工作。AFC 中更快的 ORR 动力学使得非贵金属以及低价金属例如 Ag 和 N i 作为催化剂成为可能，这也使得 AFC 与使用 Pt 催化剂为主的 PEMFC 相比更有竞争力。因此，近年来对碱性落膜燃料电池研究的复苏逐渐凸显出来。

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。2

负极反应：2H2+ 4OH-→ 4 H2O + 4e-

正极反应：O2+ 2H2O + 4 e-→ 4OH-

碱性落膜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，碱性落膜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。

本词条内容贡献者为:

任毅如 - 副教授 - 湖南大学