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燃料电池的种类

燃料电池

燃料电池通过氧与氢结合成水的简单电化学反应而发电。它的种类可以多种多样，但都基于一个基本的设计，即它们都含有二个电极，一个负阳极和一个正阴极。这二个电极被一个位于这它们之间的、携带有充电电荷的固态或液态电解质分开。在电极上，催化剂，例如白金，常用来加速电化学反应。

　　质子交换膜燃料电池（PEMFC）

　　质子交换膜燃料电池有时也叫聚合物电解质膜，或固态聚合物电解质膜，或聚合物电解质膜燃料电池。
下图显示了质子交换膜燃料电池的基本设计。

　　在质子交换膜燃料电池中，电解质是一片薄的聚合物膜，和质子能够渗透但不导电的NafionTM ，而电极基本由碳组成。氢流入燃料电池到达阳极，裂解成氢离子（质子）和电子。氢离子通过电解质渗透到阴极，而电子通过外部网路流动，提供电力。以空气形式存在的氧供应到阴极，与电子和氢离子结合形成水。

质子交换膜燃料电池的工作温度约为80℃。在这样的低温下，电化学反应能正常地缓慢进行，

　　碱性燃料电池（AFC）

　　碱性燃料电池是该技术发展最快的一种电池，主要为空间任务，包括航天飞机提供动力和饮用水。
碱性燃料电池的设计基本与质子交换膜燃料电池的设计相似，但其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。

阳极反应：2H2 + 4OH- → 4 H2O + 4e-
阴极反应：O2 + 2H2O + 4 e- → 4OH-

　　　　磷酸燃料电池（PAFC）

　　磷酸燃料电池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。磷酸燃料电池的工作温度要比质子交换膜燃料电池和碱性燃料电池的工作温度略高，位于150 - 200℃左右，但仍需电极上的白金催化剂来加速反应。其阳极和阴极上的反应与质子交换膜燃料电池相同，但由于其工作温度较高。
　　　　溶化的碳酸盐燃料电池(MCFC)

电池不是使用溶化的锂钾碳酸盐就是使用锂钠碳酸盐作为电解质。当温度加热到650℃时，这种盐就会溶化，产生碳酸根离子，从阴极流向阳极，与氢结合生成水，二氧化碳和电子。电子然后通过外部回路返回到阴极，在这过程中发电。

阳极反应：CO32- + H2 → H2O + CO2 + 2e-
阴极反应：CO2 + 1/2 O2 + 2e- → CO32-

　　　　固态氧化物燃料电池（SOFC）

　　固态氧化物燃料电池工作温度高，它们使用氧化锆等固态陶瓷电解质，而不用使用液体电解质。其工作温度位于800-1000℃之间。
在这种燃料电池中，当氧阳向离子从阴极移动到阳极氧化燃料气体（主要是氢和一氧化碳的混合物）使便产生能量。阳极生成的电子通过外部电路移动返回到阴极上，减少进入的氧，从而完成循环。

阳极反应：H2 + O2- → H2O + 2e-
CO + O2- → CO2 + 2e-
阴极反应: O2 + 4 e- → 2 O2-

　　直接甲醇燃料电池（DMFC）

接使用甲醇而勿需预先重整。甲醇在阳极转换成二氧化碳和氢，如同标准的质子交换膜燃料电池一样，氢然后再与氧反应。

阳极反应：CH3OH + H2O → CO2 + 6H+ + 6e-
阴极反应：3/2O2 + 6H+ + 6e- → 3 H2O
电池反应：CH3OH + 3/2O2 → CO2 + 2 H2O

　　　再生型燃料电池（RFC）

　　与普通燃料电池的相同之处在于它也用氢和氧来生成电、热和水。其不同的地方是它还进行逆反映，也就是电解。燃料电池中生成的水再送回到以太阳能为动力的电解池中，在那儿分解成氢和氧组分，然后这种组分再送回到燃料电池。这种方法就构成了一个封闭的系统，不需要外部生成氢。目前，商业化开发业已走了一段路程，但仍有许多问题尚待解决，例如成本，进一步改进太阳能利用的稳定性等问题