碱性燃料电池（Alkaline Fuel Cell, AFC）是最早实现商业化应用的燃料电池类型之一，以碱性溶液为电解质，具有高效率和低成本优势，但因对二氧化碳敏感，主要应用于特殊场景。

一、技术原理与核心反应

1. 电解质与工作条件

• 阳极：氢气（H₂）氧化生成水并释放电子：

  $${\text{H}}_2+2{\text{OH}}^{-}\to 2{\text{H}}_2\text{O}+2e^{-}$$

• 阴极：氧气（O₂）结合电子与水生成氢氧根离子：

  $$\frac{1}{2}{\text{O}}_2+{\text{H}}_2\text{O}+2e^{-}\to 2{\text{OH}}^{-}$$

• 总反应：

  $${\text{H}}_2+\frac{1}{2}{\text{O}}_2\to {\text{H}}_2\text{O}$$




• 电解质：氢氧化钾（KOH）或氢氧化钠（NaOH）溶液，浓度通常为30-45%，工作温度 60-90℃。

• 电极反应：

2. 燃料需求

• 需使用纯氧或严格脱除CO₂的空气（CO₂与KOH反应生成碳酸盐，堵塞电极孔隙）。

• 
  

二、关键材料与组件

1. 电极材料

• 催化剂：早期使用铂（Pt），后优化为镍（Ni）或银（Ag）基非贵金属，降低成本。

• 电极基体：多孔碳纸或镍网，提供高比表面积与导电性。

2. 电解质管理

• 循环系统：液态KOH需通过泵循环，避免浓度梯度导致的性能衰减。

• 防水层：聚四氟乙烯（PTFE）涂层防止电解质渗漏。

3. 双极板

• 材料：镀镍不锈钢或钛合金，耐碱性腐蚀。

• 
  

三、技术优势与局限性

优势

1. 高效率：理论发电效率达70%，实际运行效率约50-60%，高于早期PEMFC。

2. 低成本：非贵金属催化剂（如镍）大幅降低材料成本。

3. 快速响应：低温运行支持快速启动，适合动态负载场景。

局限性

1. CO₂敏感性：空气中CO₂与电解质反应生成K₂CO₃，需复杂净化系统或使用纯氧。

2. 电解质腐蚀：强碱性溶液对金属部件腐蚀性强，系统寿命受限（典型寿命 5000-8000小时）。

3. 维护复杂：需定期更换电解质并清理碳酸盐沉积。

4. 
   

四、应用场景与典型案例

1. 航天领域

• 阿波罗登月计划：NASA在20世纪60年代采用AFC为登月舱提供电力与饮用水，验证了其高可靠性。

• 航天飞机：早期航天飞机（如美国“双子座”飞船）使用AFC作为辅助电源。

2. 特殊军事用途

• 潜艇AIP系统：部分国家在潜艇不依赖空气推进（AIP）系统中试验AFC，因静音性与高效性受关注。

3. 示范项目

• 德国AFC Energy：开发模块化AFC系统（如CHP系统），用于离网通信基站与应急电源。

• 
  

五、技术挑战与创新方向

1. 抗CO₂技术

• 吸收剂过滤：集成胺类吸收剂去除空气中CO₂（如德国ZSW研究所方案）；

• 固态碱性电解质：开发阴离子交换膜（AEM），替代液态KOH（如英国Ceres Power的AEMFC技术）。

2. 材料耐久性提升

• 耐腐蚀涂层：石墨烯或陶瓷涂层保护金属双极板；

• 自修复电极：通过纳米结构设计减少催化剂脱落。

3. 系统简化

• 被动循环设计：利用毛细作用替代机械泵，降低维护需求。

• 
  

六、AFC与其他燃料电池对比

七、现状与未来展望

1. 市场现状

• 因CO₂敏感性与维护复杂性，AFC在主流市场被PEMFC与SOFC取代，但在航天、军事等特殊领域仍具价值。

• 新兴的阴离子交换膜燃料电池（AEMFC）被视为AFC的升级方向，结合固态电解质与抗CO₂能力。

2. 研发趋势

• AEMFC技术：英国Ceres Power与日本丰田合作开发AEMFC，目标替代部分PEMFC应用场景；

• 绿氢适配：耦合电解水制氢，实现零碳排放（如欧盟“H2Giga”项目）。

碱性燃料电池（AFC）凭借高效率和低成本，曾是早期燃料电池技术的代表，尤其适用于航天与军事领域。尽管因CO₂敏感性和维护难题逐渐退出主流市场，但通过阴离子交换膜（AEM）等创新技术，其衍生形态AEMFC正焕发新生。未来，AFC技术有望在特殊场景与新型材料推动下，继续为清洁能源转型提供独特价值。