(1)堿性燃料電池的結(jié)構(gòu)及工作原理

堿性燃料電池(alkaline fuel cell，AFC)采用如KOH、NaOH之類的強堿性溶液作電解質(zhì)，傳導(dǎo)電極之間的離子，由于電解液為堿性，與PEMFC不同的是在電介質(zhì)內(nèi)部傳輸?shù)碾x子導(dǎo)體為氫氧離子OH-  堿性燃料電池(AFC)是最早進(jìn)入實用階段的燃料電池之一，也是最早用于車輛的燃料電池。1959年驅(qū)動叉車的培根(Bacon)型中溫、中壓氫氧燃料電池就是AFC?？梢哉f，AFC是目前技術(shù)最成熟的燃料電池之一。

以氫氧作燃料的AFC，氫氣為燃料，純氧或脫除微量二氧化碳的空氣為氧化劑。氧化極的電催化劑采用對氧電化學(xué)還原具有良好催化活性的Pt/C、Ag、Ag-Au、Ni等，并將其制備成多孔氣體擴散電極；氫電極的電催化劑采用具有良好催化氫電化學(xué)氧化的Pt-Pd/C、Pt/C、Ni或硼化鎳等，并將其制備成多孔氣體電極  雙極板材料采用無孔碳板、鎳板或鍍鎳甚至鍍銀、鍍金的各種金屬（如鋁、鎂、鐵）板，在板面上可加工各種形狀的氣體流動通道構(gòu)成雙極板。

以氫氧作燃料的AFC，其工作原理如圖所示，在陽極，氫氣與電解液中的OH-在電催化劑的作用下，發(fā)生氧化反應(yīng)生成水和電子，電子通過外電路達(dá)到陰極，在陰極電催化劑的作用下，參與氧的還原反應(yīng)，生成的OH-通過飽浸堿液的多孔石棉遷移到氫電極。其陽極和陰極發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)如下。

上述反應(yīng)不同于酸性燃料電池的另一點是水在氫電極處生成。為防止稀釋電解質(zhì)，陽極側(cè)生成的水要及時排除。此外，在陰極處，氧的還原又需要水。水的管理問題通常按電極防水性和在電解液中保持含水量的需求予以分解。陰極反應(yīng)從電解液中消耗水，而陽極反應(yīng)則排出其水生成物。過剩的水在燃料電池堆汽化。

石棉膜型堿性氫氧燃料電池單電池的工作原理

AFC可分為多孔基體型及自由電解液型兩類．前者是將電解液吸在作為電極間隔離層的多孔性材料中。后者電解液存于空室內(nèi)，外設(shè)循環(huán)系統(tǒng)，將反應(yīng)生成的熱及水散發(fā)掉。

(2)堿性燃料電池的優(yōu)點

AFC與其他類型燃料電池相比，具有以下優(yōu)點。

①堿性燃料電池可以在一個寬溫度(80～230℃)和壓力[(2.2-45)×105Pa]范圍內(nèi)運行。因其可以在較低的溫度（大約80℃）下運行，故它的啟動也很快，但其電力密度卻比質(zhì)子交換膜燃料電池的密度低十幾倍。

②AFC具有較高的效率(50%～55%)。因由氫氧電解液所提供的快速動力學(xué)效應(yīng)，故堿性燃料電池可獲得很高的效率。尤其是氧的反應(yīng)（O2->OH-）比酸性燃料電池中氧的還原反應(yīng)容易得多，因此，活性損耗非常低。

③性能可靠，可用非貴金屬作催化劑，是燃料電池中生產(chǎn)成本最低的一種電池。堿性燃料電池中的快速動力學(xué)效應(yīng)使銀或鎳可用以替代鉑作為催化劑。其電池本體可以用價格低的耐堿塑料制作，且使用的是廉價的電解液。這樣，堿性燃料電池堆的成本顯著下降。

④通過電解液完全的循環(huán)，電解液被用作冷卻介質(zhì)，易于熱管理；更為均勻的電解液的集聚，解決了陰極周圍電解液濃度分布問題；提供了利用電解液進(jìn)行水管理的可能性；若電解液已被二氧化碳過度污染，則有替換電解液的可能性。當(dāng)電解液循環(huán)時，燃料電池被稱為“動態(tài)電解液的燃料電池”，這種循環(huán)使堿性燃料電池動力學(xué)特性得到了進(jìn)一步的改善。

(3)堿性燃料電池的主要缺點

① 堿性燃料電池最大的問題在于二氧化碳的毒化。電池對燃料中C02敏感，堿性電解液對二氧化碳具有顯著的化合力，電解液與C02接觸會生成碳酸根離子（CO3），這些離子并不參與燃料電池反應(yīng)，且削弱了燃料電池的性能，影響輸出功率；碳酸的沉積和阻塞電極也將是一種可能的風(fēng)險，這一最終的問題可通過電解液的循環(huán)予以處理。使用二氧化碳除氣器是增加成本和復(fù)雜度的解決方法，它將從空氣流中排除二氧化碳?xì)怏w。

②循環(huán)電解液的利用，增加了泄漏的風(fēng)險。氫氧化鉀是高腐蝕性的，具有自然滲漏的能力，甚至于透過密封的可能性，具有一定的危險性，且容易造成環(huán)境污染。此外，循環(huán)泵和熱交換器的結(jié)構(gòu)，以及最后的氣化器均更為復(fù)雜。另一問題在于，如果電解液被過于地循環(huán)或單元電池沒有完善地絕緣，則在兩單元電池間將存在內(nèi)部電解質(zhì)短路的風(fēng)險。   

③需要冷卻裝置維護(hù)其較低的工作溫度。