堿性燃料電池（alkaline fuel cell，AFC）是第一個(gè)燃料電池技術(shù)的發(fā)展，最初由美國航空航天局的太空計(jì)劃，同時(shí)生產(chǎn)電力和水的航天器上。AFCS繼續(xù)使用NASA航天飛機(jī)上的整個(gè)程序中，除了數(shù)量有限的商業(yè)應(yīng)用。

簡(jiǎn)介

電動(dòng)車輛和規(guī)模化儲(chǔ)能等新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，以及高性能便攜式電子設(shè)備的進(jìn)步，迫切需要高效、清潔的電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)。目前廣泛使用的鋰離子電池的能量密度已接近理論極限，無法滿足對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的迫切要求。因此，全世界都在積極探索下一代的電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)。

燃料電池（fuel cells，F(xiàn)C）是一種可以將儲(chǔ)存在燃料和氧氣中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的電化學(xué)儲(chǔ)能裝置。普通的內(nèi)燃機(jī)由于需要經(jīng)歷熱機(jī)過程，受卡諾循環(huán)的限制，其能量轉(zhuǎn)化率大多低于 15%，燃料電池不受此限制，因而具有很高的能量轉(zhuǎn)化率，一般為 40%~60%，如果將余熱充分利用，甚至可以高達(dá) 90%。此外，燃料電池在工作時(shí)，其反應(yīng)產(chǎn)物一般只有 H2O 和CO2，很少會(huì)排放出 NOx和 SOx，

因而不會(huì)污染環(huán)境，是新一代的綠色能源。燃料電池在工作時(shí)排出的二氧化碳量，也低于傳統(tǒng)火力發(fā)電廠的 60%。可見，燃料電池對(duì)解決目前全世界所面臨的能源安全(Energy Security)和環(huán)境保護(hù)(Environment Protection)兩大難題都具有極其重要的意義。同時(shí)，燃料電池由于具有高效、綠色、安全等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是 21 世紀(jì)的新能源之星。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)已研究開發(fā)出來的燃料電池，按照電解質(zhì)的種類進(jìn)行分類，主要分為 5 種：堿性燃料電池（AFC），一般用 6~8 mol·L-1的 KOH 溶液作為電解質(zhì)；磷酸型燃料電池（PAFC），大多以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 98wt%左右的濃 H3PO4溶液為電解質(zhì)；熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC），大多將 Li2CO3和 K2CO3按一定比例混合后作為電解質(zhì)；質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC），通常采用美國 Du Pont 公司生產(chǎn)的 Nafion 膜作為電解質(zhì)；固體氧化物燃料電池（SOFC），采用 YSZ（Y2O3摻雜穩(wěn)定的 Zr O2）等作為氧離子導(dǎo)體。

在眾多類型的燃料電池中，堿性燃料電池(AFC)技術(shù)是最成熟的。從 20 世紀(jì)60 年代到 80 年代，國內(nèi)外學(xué)者深入廣泛地研究并開發(fā)了堿性燃料電池。但是在80 年代以后，由于新的燃料電池技術(shù)的出現(xiàn)，例如 PEMFC 使用了更為便捷的固態(tài)電解質(zhì)而且可以有效防止電解液的泄漏，AFC 逐漸褪去了其原有的光彩。但是，通過 PEMFC 和 AFC 之間的對(duì)比，不難發(fā)現(xiàn)理論上 AFC 的性能要優(yōu)于 PEMFC，甚至早期的 AFC 系統(tǒng)都可以輸出比現(xiàn)有 PEMFC 系統(tǒng)更高的電流密度。成本分析表明：AFC 系統(tǒng)用于混合動(dòng)力電動(dòng)車與 PEMFC 相比要更有優(yōu)勢(shì)。與 PEMFC 相比，AFC 在陰極動(dòng)力學(xué)和降低歐姆極化方面具有很多優(yōu)勢(shì)；堿性體系中的氧還原反應(yīng)(ORR)動(dòng)力學(xué)比酸性體系中使用 Pt 催化劑的 H2SO4體系和使用 Ag催化劑的HCl O4體系都要更高。同時(shí)，堿性體系的弱腐蝕性也確保了 AFC 能夠長(zhǎng)期工作。AFC 中更快的 ORR 動(dòng)力學(xué)使得非貴金屬以及低價(jià)金屬例如 Ag 和 N i 作為催化劑成為可能，這也使得 AFC 與使用 Pt 催化劑為主的 PEMFC 相比更有競(jìng)爭(zhēng)力。因此，近年來對(duì)堿性燃料電池研究的復(fù)蘇逐漸凸顯出來。

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電動(dòng)車輛和規(guī)模化儲(chǔ)能等新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，以及高性能便攜式電子設(shè)備的進(jìn)步，迫切需要高效、清潔的電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)。目前廣泛使用的鋰離子電池的能量密度已接近理論極限，無法滿足對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的迫切要求。因此，全世界都在積極探索下一代的電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)。

燃料電池（fuel cells，F(xiàn)C）是一種可以將儲(chǔ)存在燃料和氧氣中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的電化學(xué)儲(chǔ)能裝置。普通的內(nèi)燃機(jī)由于需要經(jīng)歷熱機(jī)過程，受卡諾循環(huán)的限制，其能量轉(zhuǎn)化率大多低于 15%，燃料電池不受此限制，因而具有很高的能量轉(zhuǎn)化率，一般為 40%~60%，如果將余熱充分利用，甚至可以高達(dá) 90%。此外，燃料電池在工作時(shí)，其反應(yīng)產(chǎn)物一般只有 H2O 和CO2，很少會(huì)排放出 NOx和 SOx，

因而不會(huì)污染環(huán)境，是新一代的綠色能源。燃料電池在工作時(shí)排出的二氧化碳量，也低于傳統(tǒng)火力發(fā)電廠的 60%。可見，燃料電池對(duì)解決目前全世界所面臨的能源安全(Energy Security)和環(huán)境保護(hù)(Environment Protection)兩大難題都具有極其重要的意義。同時(shí)，燃料電池由于具有高效、綠色、安全等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是 21 世紀(jì)的新能源之星。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)已研究開發(fā)出來的燃料電池，按照電解質(zhì)的種類進(jìn)行分類，主要分為 5 種：堿性燃料電池（AFC），一般用 6~8 mol·L-1的 KOH 溶液作為電解質(zhì)；磷酸型燃料電池（PAFC），大多以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 98wt%左右的濃 H3PO4溶液為電解質(zhì)；熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC），大多將 Li2CO3和 K2CO3按一定比例混合后作為電解質(zhì)；質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC），通常采用美國 Du Pont 公司生產(chǎn)的 Nafion 膜作為電解質(zhì)；固體氧化物燃料電池（SOFC），采用 YSZ（Y2O3摻雜穩(wěn)定的 Zr O2）等作為氧離子導(dǎo)體。

在眾多類型的燃料電池中，堿性燃料電池(AFC)技術(shù)是最成熟的。從 20 世紀(jì)60 年代到 80 年代，國內(nèi)外學(xué)者深入廣泛地研究并開發(fā)了堿性燃料電池。但是在80 年代以后，由于新的燃料電池技術(shù)的出現(xiàn)，例如 PEMFC 使用了更為便捷的固態(tài)電解質(zhì)而且可以有效防止電解液的泄漏，AFC 逐漸褪去了其原有的光彩。但是，通過 PEMFC 和 AFC 之間的對(duì)比，不難發(fā)現(xiàn)理論上 AFC 的性能要優(yōu)于 PEMFC，甚至早期的 AFC 系統(tǒng)都可以輸出比現(xiàn)有 PEMFC 系統(tǒng)更高的電流密度。成本分析表明：AFC 系統(tǒng)用于混合動(dòng)力電動(dòng)車與 PEMFC 相比要更有優(yōu)勢(shì)。與 PEMFC 相比，AFC 在陰極動(dòng)力學(xué)和降低歐姆極化方面具有很多優(yōu)勢(shì)；堿性體系中的氧還原反應(yīng)(ORR)動(dòng)力學(xué)比酸性體系中使用 Pt 催化劑的 H2SO4體系和使用 Ag催化劑的HCl O4體系都要更高。同時(shí)，堿性體系的弱腐蝕性也確保了 AFC 能夠長(zhǎng)期工作。AFC 中更快的 ORR 動(dòng)力學(xué)使得非貴金屬以及低價(jià)金屬例如 Ag 和 N i 作為催化劑成為可能，這也使得 AFC 與使用 Pt 催化劑為主的 PEMFC 相比更有競(jìng)爭(zhēng)力。因此，近年來對(duì)堿性燃料電池研究的復(fù)蘇逐漸凸顯出來。

AFC 陽極電催化劑的研究進(jìn)展

電催化劑是燃料電池的關(guān)鍵組成部分，其性能高低直接決定了燃料電池的工作性能。燃料電池對(duì)電催化劑的基本要求為：（1）對(duì)電化學(xué)反應(yīng)具有很高的催化活性，能夠加速電化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行；（2）對(duì)反應(yīng)的催化作用具有選擇性，即只對(duì)反應(yīng)物轉(zhuǎn)化為目標(biāo)產(chǎn)物的反應(yīng)具有催化作用，對(duì)其他副反應(yīng)并無催化作用；（3）具有良好的電子導(dǎo)電性，有利于電化學(xué)反應(yīng)過程中電荷的快速轉(zhuǎn)移，從而降低電池內(nèi)阻；（4）具有優(yōu)良的電化學(xué)穩(wěn)定性，從而保證其使用壽命。目前國內(nèi)外學(xué)者已將很多材料用于堿性燃料電池陽極電催化劑，主要包括Pt基、Pd基、Au基及非貴金屬催化劑等。

AFC 陰極電催化劑的研究進(jìn)展

堿性燃料電池陰極主要為氧還原反應(yīng)（ORR），由于反應(yīng)中牽涉到 4 個(gè)電子的轉(zhuǎn)移步驟，還有 O-O 鍵的斷裂，易出現(xiàn)中間價(jià)態(tài)粒子，如 HO2-和中間價(jià)態(tài)含氧物種等問題，因此 AFC 中陰極的氧還原反應(yīng)是一個(gè)很復(fù)雜的過程。目前關(guān)于 ORR的真實(shí)反應(yīng)途徑尚不清楚，研究人員普遍認(rèn)為主要有以下兩種途徑：

（i） 直接四電子途徑：O2+ 2H2O + 4 e-→ 4OH-

（ii） 二電子途徑： O2+ H2O + 2e-→ HO2-+OH-

HO2- + H2O+ 2e-+→ 3OH-

從動(dòng)力學(xué)理論上說，堿性體系中的氧還原反應(yīng)（ORR）速率要比酸性體系中更快一些。正是由于堿性體系中ORR速率較酸性體系更快，使得大量的材料得以用作AFC陰極催化劑，主要包括Pt基、Pd基、Ag基及非貴金屬催化劑等。

催化劑的性能衰減機(jī)制

目前關(guān)于堿性體系中催化劑的性能衰減機(jī)制尚無相關(guān)研究，但是在PEMFC中關(guān)于Pt催化劑性能衰減機(jī)制方面，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了大量研究工作，目前研究人員普遍認(rèn)為，在PEMFC的工作環(huán)境下，Pt催化劑性能衰減的主要原因有：碳載體被腐蝕，導(dǎo)致Pt從載體上脫落；Pt顆粒的溶解-再沉積；Pt顆粒在碳載體表面的團(tuán)聚。

標(biāo)簽：堿性燃料歷程