燃料电池主要根据它们使用的电解质种类进行分类。这种分类决定了电池中发生的电化学反应的种类、所需催化剂的种类、电池运行的温度范围、所需的燃料以及其他因素。这些特性反过来会影响这些电池最适合的应用。目前有几种类型的燃料电池正在开发中，每种都有自己的优点、局限性和潜在应用。
一、聚合物电解质膜燃料电池
与其他燃料电池相比，聚合物电解质膜 (PEM) 燃料电池（也称为质子交换膜燃料电池）具有高功率密度和重量轻、体积小的优点。PEM 燃料电池使用固体聚合物作为电解质和含有铂或铂合金催化剂的多孔碳电极。他们只需要氢气、空气中的氧气和水就可以运行。它们通常以储罐或重整器提供的纯氢为燃料。
PEM 燃料电池在相对较低的温度下运行，大约 80°C (176°F)。低温运行使它们能够快速启动（更少的预热时间）并减少系统组件的磨损，从而提高耐用性。然而，它需要使用贵金属催化剂（通常是铂）来分离氢的电子和质子，从而增加了系统成本。铂催化剂对一氧化碳中毒也极为敏感，如果氢气来自碳氢化合物燃料，则必须使用额外的反应器来减少燃气中的一氧化碳，该反应器也增加了成本。
PEM 燃料电池主要用于交通运输和一些固定式应用。PEM 燃料电池特别适用于汽车、公共汽车和重型卡车等车辆应用。
二、直接甲醇燃料电池
大多数燃料电池由氢气提供动力，氢气可以直接供给燃料电池系统，也可以通过重整甲醇、乙醇和碳氢化合物燃料等富氢燃料在燃料电池系统内产生。然而，直接甲醇燃料电池 (DMFC) 由纯甲醇提供动力，通常与水混合并直接供给燃料电池阳极。
图源researchgate
直接甲醇燃料电池没有许多燃料电池系统典型的燃料储存问题，因为甲醇的能量密度高于氢气——尽管低于汽油或柴油燃料。使用现有的基础设施，甲醇也更容易运输和供应给公众，因为它是一种液体，就像汽油一样。DMFC 适合用于为手机或笔记本电脑等便携式燃料电池应用提供电力。
三、碱性燃料电池
碱性燃料电池 (AFC) 是最早开发的燃料电池技术之一，也是美国太空计划中第一种广泛用于在航天器上生产电能和水的类型。这些燃料电池使用氢氧化钾水溶液作为电解质，并可以使用多种非贵金属作为阳极和阴极的催化剂。
图源DOI: 10.15761 / IJC.1000119
近年来，开发了使用聚合物膜作为电解质的新型 AFC。这些燃料电池与传统的 PEM 燃料电池密切相关，只是它们使用碱性膜而不是酸性膜。AFC 的高性能归功于电池中发生电化学反应的速率。它们还在太空应用中展示了 60% 以上的效率。
这种燃料电池类型的一个关键挑战是它容易二氧化碳 (CO2) 中毒。事实上，由于碳酸盐的形成，即使空气中的少量 CO2 也会显着影响电池性能和耐久性。具有液体电解质的碱性电池可以在再循环模式下运行，这允许电解质再生以帮助减少电解质中碳酸盐形成的影响，但再循环模式会引入分流电流问题。
液体电解质系统还存在其他问题，包括润湿性、腐蚀增加以及处理压差的困难。碱性膜燃料电池 (AMFC) 解决了这些问题，并且比液体电解质 AFC 对 CO2 中毒的敏感性更低。但是，CO2 仍然会影响性能，AMFC 的性能和耐用性仍然落后于 PEMFC。AMFC 正在考虑用于 W 到 kW 规模的应用。AMFC 面临的挑战包括对二氧化碳的耐受性、膜电导率和耐久性、高温操作、水管理、功率密度和阳极电催化。
四、磷酸燃料电池
磷酸燃料电池 (PAFC) 使用液态磷酸作为电解质——磷酸包含在聚四氟乙烯键合的碳化硅基质中——以及含有铂催化剂的多孔碳电极。电池中发生的电化学反应如下图所示。
图源DOI: 10.15761 / IJC.1000119
PAFC 被认为是现代燃料电池的“第一代”。它是最成熟的电池类型之一，也是第一个被商业化使用的电池类型。这种类型的燃料电池通常用于固定发电，一些 PAFC 已用于为城市公交车等大型车辆提供动力。
PAFC 比 PEM 电池更能容忍已转化为氢气的化石燃料中的杂质，PEM 电池很容易被一氧化碳“毒化”，因为一氧化碳与阳极的铂催化剂结合，降低了燃料电池的效率。
当用于热电联产时，PAFC 的效率超过 85%，但单独发电时效率较低 (37%–42%)。燃烧发电厂的运行效率通常约为 33%，PAFC 的效率仅略高于燃烧发电厂。在重量和体积相同的情况下，PAFC 的功率也不如其他燃料电池。因此，这些燃料电池通常又大又重。PAFC 也很昂贵，与其他类型的燃料电池相比，它们需要更多的昂贵的铂催化剂。
五、熔融碳酸盐燃料电池
目前正在开发熔融碳酸盐燃料电池 (MCFC)，用于电力、工业和军事应用的天然气和煤基发电厂。MCFC 是一种高温燃料电池，使用由悬浮在多孔、化学惰性陶瓷锂铝氧化物基质中的熔融碳酸盐混合物组成的电解质。由于它们在 650°C（约 1,200°F）的高温下运行，非贵金属可用作阳极和阴极的催化剂，从而降低成本。
图源DOI: 10.15761 / IJC.1000119
MCFC 比磷酸燃料电池显着降低成本的另一个原因是效率提高了。熔融碳酸盐燃料电池与涡轮机结合使用时，效率可以达到接近 65%，远高于磷酸燃料电池厂 37%–42% 的效率。当余热被捕获和使用时，整体燃料效率可超过 85%。
与碱性、磷酸和 PEM 燃料电池不同，MCFC 不需要外部重整器即可将天然气和沼气等燃料转化为氢气。在 MCFC 运行的高温下，这些燃料中的甲烷和其他轻质碳氢化合物通过内部重整在燃料电池内转化为氢气，这也降低了成本。
当前 MCFC 技术的主要缺点是耐用性。这些电池运行的高温和使用的腐蚀性电解液加速了组件的分解和腐蚀，缩短了电池寿命。科学家们目前正在探索用于组件的耐腐蚀材料以及燃料电池设计，以便在不降低性能的情况下将电池寿命从目前的 40,000 小时（约 5 年）提高一倍。
六、固体氧化物燃料电池
固体氧化物燃料电池 (SOFC) 使用坚硬的无孔陶瓷化合物作为电解质。SOFC 将燃料转化为电能的效率约为 60%。在旨在捕获和利用系统废热（热电联产）的应用中，整体燃料使用效率可高达 85%。
SOFC 在非常高的温度下运行——高达 1,000°C (1,830°F)。高温操作消除了对贵金属催化剂的需求，从而降低了成本。它还允许 SOFC 在内部重整燃料，从而可以使用多种燃料并降低与重整器相关的成本。
SOFC 也是最耐硫的燃料电池类型；与其他电池类型相比，它们可以多耐受几个数量级的硫。此外，它们不会因一氧化碳而中毒，甚至可以用作燃料。此属性允许 SOFC 使用天然气、沼气和煤制成的气体。
SOFC 的缺点在于高温操作。它会导致启动缓慢，并且需要大量的隔热层来保持热量并保护人员，这对于公用事业应用来说可能是可以接受的，但对于运输来说是不可接受的。高工作温度也对材料提出了严格的耐久性要求。开发在电池工作温度下具有高耐久性的低成本材料是该技术面临的关键技术挑战。
科学家们目前正在探索开发在 700°C 或以下运行的低温 SOFC 的潜力，这些 SOFC 的耐久性问题更少，成本更低。然而，较低温度的 SOFC 尚未达到较高温度系统的性能，而且能在较低温度范围内发挥作用的堆叠材料仍在开发中。
七、可逆燃料电池
与其他燃料电池一样，可逆燃料电池利用氢气和氧气发电，并产生热量和水作为副产品。然而，可逆燃料电池系统也可以使用太阳能、风能或其他来源的电力，通过称为电解的过程将水分解为氧气和氢气燃料。可逆燃料电池可以在需要时提供电力，但在其他技术产生高功率期间（例如当强风导致可用风力过剩时），可逆燃料电池可以以氢的形式储存多余的能量。这种储能能力可能是间歇性可再生能源技术的关键推动因素。
表 燃料电池技术比较
原文始发于微信公众号（艾邦氢科技网）
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