碱性燃料电池

碱性燃料电池（AFC），也称为培根燃料电池，以其英国发明者弗朗西斯·托马斯·培根（FrancisThomasBacon）的名字命名，是最发达的燃料电池技术之一。碱性燃料电池消耗氢气和纯氧，以产生饮用水、热量和电力。它们是最高效的燃料电池之一，有可能达到70%。自1960年代中期以来，NASA在阿波罗系列任务和航天飞机上一直使用碱性燃料电池。

产生氢氧根离子。净反应在产生两个水分子时消耗了一个氧分子和两个氢分子。电和热作为该反应的副产物形成。

两个电极由用碱性水溶液如氢氧化钾(KOH)饱和的多孔基质隔开。碱性水溶液不排斥二氧化碳(CO2)，因此燃料电池可能会因KOH转化为碳酸钾(K2CO3)而中毒。正因为如此，碱性燃料电池通常使用纯氧或至少净化过的空气运行，并将在设计中加入“洗涤器”以尽可能多地清除二氧化碳。由于氧气的产生和储存要求使纯氧AFC价格昂贵，因此很少有公司积极开发该技术。然而，研究界对中毒是xxx性的还是可逆的存在一些争论。中毒的主要机制是用不可逆的K2CO3堵塞阴极中的孔，以及降低电解质的离子电导率，这可以通过将KOH恢复到其原始浓度来逆转。另一种方法是简单地更换KOH，将单元返回到其原始输出。当二氧化碳与电解质反应时形成碳酸盐。碳酸盐会沉淀在电极的孔隙上，最终堵塞它们。已经发现，在较高温度下运行的AFC并没有表现出性能下降，而在室温附近，表现出性能显着下降。环境温度下的碳酸盐中毒被认为是由于在室温附近K2CO3的溶解度低，导致K2CO3沉淀堵塞电极孔。此外，这些沉淀剂会逐渐降低电极背衬层的疏水性，从而导致结构退化和电极溢流。碳酸盐的形成会耗尽电解质中的氢氧根离子，从而降低电解质的电导率，从而降低电池性能。除了这些体积效应之外，由于蒸汽压的变化和/或电解质体积的变化对水管理的影响也可能是有害的。

由于这种中毒效应，存在两种主要的AFC变体：静态电解质和流动电解质。阿波罗航天器和航天飞机中使用的那种静态或固定的电解质电池通常使用氢氧化钾饱和的石棉隔板。水的生产是由阳极的蒸发控制的，它产生的纯净水可以回收用于其他用途。这些燃料电池通常使用铂催化剂来实现xxx的体积效率和比效率。流动电解质设计使用更开放的矩阵，允许电解质在电极之间（平行于电极）或横向流过电极（ASK型或EloFlux燃料电池）。在平行流电解液设计中，产生的水保留在电解液中，旧的电解液可以换成新鲜的，类似于汽车换油。电极之间需要更多的空间来实现这种流动，这会转化为电池电阻的增加，与固定电解质设计相比会降低功率输出。该技术的另一个挑战是K2CO3对阴极的xxx阻塞问题有多严重；一些已发表的报告表明，空中运行时间长达数千小时。EloFlux设计具有电解液横向流动，具有结构成本低和可更换电解液的优势，但迄今为止仅使用氧气进行了演示。电极由双层结构组成：活性电催化剂层和疏水层。活性层由有机混合物组成，经研磨后在室温下滚压形成交联的自支撑片材。疏水结构防止电解质泄漏到反应气体流动通道中，并确保气体扩散到反应部位。然后将这两层压在导电金属网上，烧结完成该过程。碱性燃料电池的其他变体包括金属氢化物燃料电池和直接硼氢化物燃料电池。

碱性燃料电池在环境温度和90°C之间运行，其电效率高于使用酸性电解质的燃料电池，例如质子交换膜燃料电池(PEMFC)、固体氧化物燃料电池和磷酸燃料电池。

由于碱性化学，阴极的氧还原反应(ORR)动力学比酸性电池更容易，允许在阳极（燃料被氧化的地方）使用非贵金属，如铁、钴或镍);由于与高pH值下的电化学反应相关的低过电势，阴极处使用更便宜的催化剂，例如银或铁酞菁。碱性介质还会加速甲醇等燃料的氧化，使其更具吸引力。与酸性燃料电池相比，这导致更少的污染。

碱性燃料电池是制造成本最低的燃料电池。电极所需的催化剂可以是多种不同化学品中的任何一种，与其他类型的燃料电池所需的那些相比，这些化学品便宜。碱性燃料电池的商业前景主要取决于最近开发的该技术的双极板版本，其性能明显优于早期的单板版本。世界上xxx艘燃料电池船Hydra使用了净输出功率为5kW的AFC系统。最近的另一项发展是固态碱性燃料电池，它利用固体阴离子交换膜代替液体电解质。这解决了中毒问题，并允许开发能够在更安全的富氢载体（如液体尿素溶液或金属胺络合物）上运行的碱性燃料电池。