下一代储能电池：六种燃料电池介绍

PEMFC

质子交换膜燃料电池（PEMFC）使用水基的酸性聚合物膜作为其电解质，具有铂基电极。PEMFC电池在相对低的温度（低于100摄氏度）下操作并且可以定制电输出以满足动态功率需求。由于相对低的温度和使用基于贵金属的电极，这些电池必须在纯氢气下操作。PEMFC电池是目前用于轻型车辆和材料处理车辆的领先技术，并且在较小程度上用于固定和其它应用。PEMFC燃料电池有时也称为聚合物电解质膜燃料电池（也称为PEMFC）。

氢燃料在阳极处被处理，其中电子与铂基催化剂的表面上的质子分离。质子通过膜到达电池的阴极侧，同时电子在外部电路中行进，产生电池的电输出。在阴极侧，另一个贵金属电极将质子和电子与氧气结合以产生水，其作为唯一的废物排出;氧可以以纯化形式提供，或者在电极处直接从空气中提取。

在升高的温度下操作的PEMFC的变体被称为高温PEMFC（HTPEMFC）。通过将电解质从水基改变为基于矿物酸的系统，HTPEMFC可以在高达200摄氏度下操作。这克服了关于燃料纯度的一些当前限制，其中HTPEMFC能够处理含有少量一氧化碳（CO）的重整产物。还可以通过消除加湿器来简化设备的平衡。

HTPEMFCs不优于低温PEMFC;两种技术都在其优势所在的地方找到了利基。下表总结了两种PEMFC变量之间的差异：

DMFC

直接甲醇燃料电池（DMFC）是一套相对较新的燃料电池技术;它是在20世纪90年代由美国的几个机构的研究人员发明和开发的，包括NASA和喷气推进实验室。它类似于PEM电池，因为它使用聚合物膜作为电解质。然而，DMFC阳极上的铂-钌催化剂能够从液体甲醇中吸收氢，消除了对燃料重整器的需要。因此纯甲醇可以用作燃料，因此名称。

甲醇作为燃料提供了几个优点。它是便宜的，但具有相对高的能量密度，并且可以容易地运输和储存。其可以从可以保持充满的储液器或者在可以在使用时快速更换的盒中供应到燃料电池单元。

DMFC在60℃至130℃的温度范围内工作，并且倾向于用于具有适度功率要求的应用，例如移动电子设备或充电器和便携式电源组。在各个国家中看到商业牵引的DMFC的一个特定应用是用于材料搬运车辆的DMFC动力单元的使用。许多这些单元已经销售到商业仓库，其中叉车通常用电池组供电。通过切换到燃料电池，仓库可以在几分钟内为其卡车加油，与为电池充电所需的时间相比。燃料电池还消除了对仓库内的电池充电基础设施的需要，从而使得更多的占地面积可用于其他用途。

SOFC

固体氧化物燃料电池在非常高的温度下工作，所有燃料电池类型中的最高温度在大约800℃至1000℃。在将燃料转化为电能时，它们的效率可以超过60％;如果他们产生的热也被利用;它们将燃料转化为能量的总效率可以超过80％。

SOFC使用固体陶瓷电解质，例如用氧化钇稳定的氧化锆，而不是液体或膜。它们的高工作温度意味着燃料可以在燃料电池本身内重整，消除了对外部重整的需要，并允许单元与各种烃燃料一起使用。与其它类型的燃料电池相比，它们还相对耐燃料中的少量硫，因此可以与煤气一起使用。

高操作温度的另一个优点是改善了反应动力学，消除了对金属催化剂的需要。然而，高温存在一些缺点：这些电池需要更长的启动和达到操作温度，它们必须由坚固的耐热材料构造，并且它们必须被屏蔽以防止热损失。

SOFC有三种不同的SOFC几何形状：平面，共面和微管。在平面设计中，部件被组装成平坦堆叠，其中空气和氢传统上通过内置于阳极和阴极中的通道流过单元。在管状设计中，空气被供应到延长的固体氧化物管（其在一端密封）的内部，同时燃料围绕管的外部流动。管本身形成阴极，并且电池部件围绕管构造成层。

SOFC广泛地用于大型和小型固定发电：平面型发电应用于例如BloomEnergy的100千瓦离网发电机和具有几千瓦输出的SOFC，正在测试用于较小的热电联产应用，例如家用组合热和功率（CHP）。输出功率范围内的微管状SOFC也正在为小型便携式充电器开发。

AFC

碱性燃料电池（AFC）是将要开发的第一种燃料电池技术之一，并且最初由NASA用于空间计划中以在航天器上产生电和水。在整个计划期间，美国国家航空航天局继续使用美国宇航局航天飞机，同时还有少量商业应用。

AFCs在水中使用碱性电解质如氢氧化钾，并且通常用纯氢燃料。第一AFC在100℃和250℃之间操作，但是典型的操作温度现在约70℃。作为低操作温度的结果，不需要在系统中使用铂催化剂，而是可以使用各种非贵金属作为催化剂以加速在阳极和阴极处发生的反应。镍是AFC单元中最常用的催化剂。

由于化学反应发生的速率，这些电池提供相对高的燃料对电转化效率，在一些应用中高达60％。

MCFC

熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）使用悬浮在多孔陶瓷基体中的熔融碳酸盐作为电解质。通常使用的盐包括碳酸锂，碳酸钾和碳酸钠。

它们在高温，约650℃下操作，并且具有与此相关的几个优点。首先，高操作温度显着提高反应动力学，因此不需要用贵金属催化剂提高这些。较高的温度还使得电池比较低温度的系统不容易发生一氧化碳中毒。因此，MCFC系统可以在各种不同的燃料（包括煤衍生的燃料气体，甲烷或天然气）上操作，消除了对外部重整器的需要。

与MCFC单元相关的缺点源于使用液体电解质而不是固体，并且需要在阴极处注入二氧化碳，因为碳酸根离子在阳极发生的反应中被消耗。还存在高温腐蚀和电解质的腐蚀性质的一些问题，但是现在可以控制这些问题以实现实际的寿命。

MCFC用于大型固定发电。大多数燃料电池发电厂的兆瓦容量使用MCFC，大型热电联产（CHP）和联合冷却和电力（CCP）工厂。这些燃料电池可以以高达60％的燃料电转化效率工作，并且在还利用过程热的CHP或CCP应用中，整体效率可以超过80％。

PAFC

磷酸燃料电池（PAFC）由阳极和阴极组成，阳极和阴极由在碳上的精细分散的铂催化剂和保持磷酸电解质的碳化硅结构制成。它们相当耐一氧化碳中毒，但在生产电力方面往往比其他燃料电池类型具有更低的效率。然而，这些电池在约180℃的适度高温下操作，并且如果该过程热用于热电联产，则总效率可以超过80％。

这种类型的燃料电池用于具有100kW至400kW范围的输出的固定式发电机中，以为世界上的许多商业场所提供动力，并且它们也在大型车辆（例如公共汽车）中得到应用。在2001年之前出售的大多数燃料电池单元使用PAFC技术