不同類型燃料電池及其應(yīng)用綜述

本文是一篇全面的綜述，探討了不同類型的燃料電池及其應(yīng)用。燃料電池是一種將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能的電化學(xué)裝置，被認(rèn)為是清潔和高效能源生產(chǎn)的有前途的技術(shù)。

1. 引言

燃料電池作為清潔和高效能源生產(chǎn)技術(shù)，只產(chǎn)生水和熱作為副產(chǎn)品。

詳細(xì)介紹了不同類型的燃料電池，包括質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFCs）、固體氧化物燃料電池（SOFCs）、堿性燃料電池（AFCs）、直接甲醇燃料電池（DMFCs）和磷酸燃料電池（PAFCs）。

討論了燃料電池在交通、固定式發(fā)電、便攜式電源和軍事航空等領(lǐng)域的應(yīng)用。

2. 燃料電池的分類

2.1 質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFCs）

PEMFCs是一種燃料電池，它使用聚合物電解質(zhì)膜將質(zhì)子從陽(yáng)極傳導(dǎo)到陰極。PEMFCs具有高功率密度、低工作溫度，是便攜式和運(yùn)輸應(yīng)用的理想選擇。在PEMFCs中，氫氣被輸送到陽(yáng)極，在那里它被分裂成質(zhì)子H+和電子e-。質(zhì)子通過(guò)聚合物電解質(zhì)膜傳導(dǎo)到陰極，而電子通過(guò)外部電路流動(dòng)，產(chǎn)生電能。在陰極，質(zhì)子與氧結(jié)合形成水。

優(yōu)缺點(diǎn)如下：

使用聚合物電解質(zhì)膜傳導(dǎo)質(zhì)子。

高功率密度，低操作溫度，適合便攜和交通應(yīng)用。

優(yōu)點(diǎn)包括高效率、低排放和快速啟動(dòng)時(shí)間。

缺點(diǎn)包括成本高和對(duì)雜質(zhì)敏感。

2.2 固體氧化物燃料電池（SOFCs）

固體氧化物燃料電池是一種利用固體氧化物電解質(zhì)將氧離子從陰極傳導(dǎo)到陽(yáng)極的燃料電池。sofc效率高，可以在高溫下工作，是固定式發(fā)電應(yīng)用的理想選擇。sofc是一種燃料電池，它使用固體氧化物電解質(zhì)將氧離子從陰極傳導(dǎo)到陽(yáng)極。sofc效率高，可以在高溫下工作，是固定式發(fā)電應(yīng)用的理想選擇。下圖是三種類型燃料的SOFC（可見(jiàn)方程式）：

優(yōu)缺點(diǎn)如下：

使用固體氧化物電解質(zhì)傳導(dǎo)氧離子。

高效率，能在高溫下運(yùn)行，適合固定式發(fā)電應(yīng)用。

優(yōu)點(diǎn)包括高效率、低排放和長(zhǎng)壽命。

缺點(diǎn)包括高操作溫度可能導(dǎo)致熱應(yīng)力。

2.3 堿性燃料電池（AFCs）

AFC是一種燃料電池，它使用堿性電解質(zhì)，通常是氫氧化鉀(KOH)。加濕的氫氣被輸送到陽(yáng)極，在穿透 GDL 并到達(dá)催化劑層 (CL) 后，氫氣與電解液中的氫氧根離子反應(yīng)，產(chǎn)生水和電子；加濕氧源（通常是純凈空氣/氧氣）與水一起供應(yīng)給陰極。溶解在水中的氧氣在陰極 CL 還原成氫氧根離子，氫氧根離子通過(guò)電解質(zhì)擴(kuò)散到陽(yáng)極，參與氫氧化反應(yīng) (HOR)。

優(yōu)缺點(diǎn)如下：

使用堿性電解質(zhì)傳導(dǎo)氫氧離子。

高效率，長(zhǎng)壽命，但對(duì)二氧化碳和其他雜質(zhì)敏感。

優(yōu)點(diǎn)包括高效率、快速反應(yīng)速率和長(zhǎng)壽命。

缺點(diǎn)包括對(duì)雜質(zhì)敏感和需要高純度反應(yīng)物。

2.4 直接甲醇燃料電池（DMFCs）

DMFC是一種以甲醇為燃料，以質(zhì)子交換膜(PEM)為電解質(zhì)的燃料電池。DMFC具有高能量密度，易于處理和存儲(chǔ)，具有在便攜式電子設(shè)備中使用的潛力。在DMFC中，甲醇被送入陽(yáng)極，在那里它被催化劑氧化，產(chǎn)生質(zhì)子、電子和二氧化碳。質(zhì)子通過(guò)PEM到達(dá)陰極，而電子通過(guò)外部電路流動(dòng)，產(chǎn)生電能。在陰極，氧被還原成水。DMFC中的總反應(yīng)可表示為：

優(yōu)缺點(diǎn)如下：

使用甲醇作為燃料，質(zhì)子交換膜作為電解質(zhì)。

高能量密度，易于處理和儲(chǔ)存，適合便攜式電子設(shè)備。

2.5 微生物燃料電池（MFCs）

利用微生物氧化有機(jī)物來(lái)發(fā)電的MFCs。MFCs具有用于廢水處理、生物能源生產(chǎn)和涉及使用有機(jī)物的其他應(yīng)用的潛力。在MFCs中，微生物，通常是細(xì)菌附著在電極表面或懸浮在兩個(gè)電極之間的溶液中。微生物氧化有機(jī)物，如廢水或有機(jī)廢物，并將電子轉(zhuǎn)移到陽(yáng)極，在那里它們被收集并通過(guò)外部電路傳導(dǎo)到陰極，產(chǎn)生電能。在陰極，氧被還原成水。MFCs中的反應(yīng)可表示為：

優(yōu)缺點(diǎn)如下：

使用微生物從有機(jī)物中產(chǎn)生電能。

低功率密度，但可以使用多種燃料，有潛力應(yīng)用于廢水處理和生物能源生產(chǎn)。

3. 結(jié)果與討論

比較了七種燃料電池的性能，包括操作條件、燃料、效率、功率密度和成本。

每種燃料電池都有其不同的特點(diǎn)和運(yùn)行特性。

燃料電池的應(yīng)用范圍廣泛，包括交通、固定式發(fā)電、便攜式設(shè)備、軍事應(yīng)用、海洋應(yīng)用和醫(yī)療應(yīng)用。

4. 結(jié)論

1.燃料電池作為一種有前途的清潔能源技術(shù)已經(jīng)出現(xiàn)。

2.不同類型的燃料電池具有不同的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)，適用于特定的應(yīng)用和操作條件。

3.燃料電池的應(yīng)用領(lǐng)域多樣且不斷擴(kuò)展，提供了一種減少溫室氣體排放、緩解氣候變化的可行替代方案。

4.燃料電池的廣泛應(yīng)用仍受到成本、耐久性和可擴(kuò)展性等挑戰(zhàn)的限制。

5.需要進(jìn)一步的研究和開(kāi)發(fā)工作來(lái)提高燃料電池的性能，降低成本，增加其商業(yè)可行性。

來(lái)源：氫眼所見(jiàn)

注：已獲得轉(zhuǎn)載權(quán)