一、燃料電池的組成結構

1、電極

燃(ran)(ran)料(liao)電(dian)池(chi)的(de)電(dian)極是燃(ran)(ran)料(liao)發生氧化(hua)反(fan)應(ying)與氧化(hua)劑發生還原反(fan)應(ying)的(de)電(dian)化(hua)學反(fan)應(ying)場所(suo)，其性能(neng)的(de)好壞關鍵在(zai)于(yu)觸媒的(de)性能(neng)、電(dian)極的(de)材料(liao)與電(dian)極的(de)制程等。

電(dian)(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)主要(yao)可分為兩(liang)部分，其(qi)一(yi)(yi)為陽(yang)極(ji)(ji)，另一(yi)(yi)為陰極(ji)(ji)，厚度(du)一(yi)(yi)般為200－500mm；其(qi)結(jie)構與(yu)一(yi)(yi)般電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)之平板電(dian)(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)不(bu)(bu)同之處(chu)，在于燃(ran)料(liao)電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)的(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)為多(duo)(duo)孔(kong)結(jie)構，所(suo)以(yi)設計成多(duo)(duo)孔(kong)結(jie)構的(de)(de)(de)(de)主要(yao)原因是燃(ran)料(liao)電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)所(suo)使用的(de)(de)(de)(de)燃(ran)料(liao)及(ji)氧化(hua)劑大(da)多(duo)(duo)為氣體(ti)（例如氧氣、氫氣等(deng)），而氣體(ti)在電(dian)(dian)(dian)(dian)解質中的(de)(de)(de)(de)溶解度(du)并不(bu)(bu)高，為了提高燃(ran)料(liao)電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)的(de)(de)(de)(de)實(shi)際工作電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)密度(du)與(yu)降低極(ji)(ji)化(hua)作用，故發展出多(duo)(duo)孔(kong)結(jie)構的(de)(de)(de)(de)的(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)，以(yi)增加參與(yu)反應的(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)表面積，而此也是燃(ran)料(liao)電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)當初(chu)所(suo)以(yi)能從理(li)論研究階段步入(ru)實(shi)用化(hua)階段的(de)(de)(de)(de)重要(yao)關鍵(jian)原因之一(yi)(yi)。

目前高溫(wen)燃(ran)(ran)料(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)之電(dian)(dian)(dian)極(ji)主要是(shi)(shi)以(yi)觸媒材料(liao)(liao)制成，例(li)如(ru)固態氧化(hua)物燃(ran)(ran)料(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)的Y2O3－stabilized－ZrO2及熔(rong)融碳酸(suan)鹽燃(ran)(ran)料(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)的氧化(hua)鎳電(dian)(dian)(dian)極(ji)等，而(er)低溫(wen)燃(ran)(ran)料(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)則主要是(shi)(shi)由氣體擴散層支撐一薄層觸媒材料(liao)(liao)而(er)構成，例(li)如(ru)磷酸(suan)燃(ran)(ran)料(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)與(yu)質子交(jiao)換膜燃(ran)(ran)料(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)的白金電(dian)(dian)(dian)極(ji)等。

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2、電解質隔膜

電(dian)解(jie)(jie)質隔(ge)膜(mo)的主要(yao)功(gong)能在分隔(ge)氧化劑(ji)與還原劑(ji)，并傳導離子，故電(dian)解(jie)(jie)質隔(ge)膜(mo)越(yue)薄越(yue)好(hao)，但亦需顧(gu)及(ji)強(qiang)度，就(jiu)現階段的技術而言(yan)，其一(yi)般厚度約在數十毫(hao)米至(zhi)數百毫(hao)米；至(zhi)于材質，目前主要(yao)朝(chao)兩個發展方向(xiang)，其一(yi)是(shi)先(xian)以石(shi)棉膜(mo)、碳化硅SiC膜(mo)、鋁酸鋰膜(mo)等絕緣材料(liao)制成多孔(kong)隔(ge)膜(mo)，再浸入熔融鋰－鉀(jia)碳酸鹽、氫(qing)氧化鉀(jia)與磷(lin)酸等中，使其附著在隔(ge)膜(mo)孔(kong)內，另一(yi)則是(shi)采用全氟磺(huang)酸樹(shu)脂及(ji)YSZ。

3、集電器

集(ji)電(dian)器(qi)又稱(cheng)作雙(shuang)極板，具有收集(ji)電(dian)流(liu)、分(fen)隔氧化(hua)劑與(yu)還原劑、疏(shu)導反應(ying)氣體等之功用(yong)，集(ji)電(dian)器(qi)的性能主要取決于其(qi)材料特(te)性、流(liu)場(chang)設(she)計及其(qi)加工(gong)技術。

二、燃料電池的優點

1、發電效率高

燃(ran)料(liao)電(dian)(dian)(dian)池(chi)發電(dian)(dian)(dian)不(bu)受卡諾循環(huan)的(de)限制(zhi)(zhi)。理(li)論上，它的(de)發電(dian)(dian)(dian)效(xiao)率可達(da)到85%～90%，但由于工作時各種極化的(de)限制(zhi)(zhi)，目前燃(ran)料(liao)電(dian)(dian)(dian)池(chi)的(de)能量(liang)轉化效(xiao)率約(yue)為40%～60%。若實(shi)現熱電(dian)(dian)(dian)聯供，燃(ran)料(liao)的(de)總利用率可高達(da)80%以上。

2、環境污染小

燃(ran)(ran)(ran)料電池(chi)以天然氣(qi)(qi)等(deng)富氫(qing)氣(qi)(qi)體為燃(ran)(ran)(ran)料時，二氧化碳的(de)排放(fang)量比熱機過(guo)程(cheng)減少40%以上，這對緩解地(di)球的(de)溫室效應是十分重要的(de)。另外，由于(yu)燃(ran)(ran)(ran)料電池(chi)的(de)燃(ran)(ran)(ran)料氣(qi)(qi)在反應前必須脫硫，而(er)且按電化學原(yuan)理發電，沒有高溫燃(ran)(ran)(ran)燒過(guo)程(cheng)，因此幾乎不排放(fang)氮和(he)硫的(de)氧化物，減輕了(le)對大氣(qi)(qi)的(de)污染。

3、比能量高

液氫燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)的比能量(liang)(liang)(liang)是鎳(nie)鎘電(dian)池(chi)的800倍(bei)，直接甲醇燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)的比能量(liang)(liang)(liang)比鋰離子電(dian)池(chi)(能量(liang)(liang)(liang)密(mi)度最高(gao)的充電(dian)電(dian)池(chi))高(gao)10倍(bei)以上。目前，燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)的實際比能量(liang)(liang)(liang)盡管只(zhi)有理論值的10%，但(dan)仍(reng)比一(yi)般(ban)電(dian)池(chi)的實際比能量(liang)(liang)(liang)高(gao)很多。

4、噪音低

燃料(liao)電(dian)池結構簡單(dan)，運動部(bu)件少，工作時噪聲很低(di)(di)。即使(shi)在11MW級的(de)燃料(liao)電(dian)池發電(dian)廠(chang)附近(jin),所測得的(de)噪音也低(di)(di)于55dB。

5、燃料范圍廣

對于(yu)燃料電池而言，只要(yao)含(han)有氫原子的物(wu)質都可以作為燃料，例(li)如天(tian)然(ran)氣、石油、煤炭等化石產物(wu),或是沼氣、酒精(jing)、甲醇(chun)等，因此燃料電池非常符(fu)合能源(yuan)多樣化的需求，可減緩主流(liu)能源(yuan)的耗(hao)竭。

6、可靠性高

當燃(ran)料電(dian)池的負載有變動時(shi)，它(ta)(ta)會很快響應(ying)。無論處(chu)于(yu)額(e)定功(gong)率以上過載運(yun)(yun)行(xing)(xing)或低于(yu)額(e)定功(gong)率運(yun)(yun)行(xing)(xing)，它(ta)(ta)都能(neng)承受且效率變化不(bu)大。由(you)于(yu)燃(ran)料電(dian)池的運(yun)(yun)行(xing)(xing)高度(du)可靠，可作為各種應(ying)急電(dian)源(yuan)和(he)不(bu)間斷(duan)電(dian)源(yuan)使用(yong)。

7、易于建設

燃(ran)料電(dian)(dian)池具有組裝(zhuang)式結(jie)構(gou)，安(an)裝(zhuang)維修方便(bian)，不需要很多輔助設(she)施。燃(ran)料電(dian)(dian)池電(dian)(dian)站(zhan)的(de)設(she)計和制(zhi)造(zao)相當方便(bian)。

三、燃料電池的應用研究

堿性燃(ran)(ran)(ran)(ran)料(liao)(liao)電(dian)池(chi)(chi)(chi)(AFC)是最早開發的燃(ran)(ran)(ran)(ran)料(liao)(liao)電(dian)池(chi)(chi)(chi)技術(shu)，在(zai)20世紀60年代就成(cheng)功的應(ying)用于航(hang)天(tian)飛行領域(yu)。磷酸型燃(ran)(ran)(ran)(ran)料(liao)(liao)電(dian)池(chi)(chi)(chi)也是第(di)一代燃(ran)(ran)(ran)(ran)料(liao)(liao)電(dian)池(chi)(chi)(chi)技術(shu)，是目(mu)前(qian)最為成(cheng)熟的應(ying)用技術(shu)，已經進入(ru)了商業化(hua)應(ying)用和批量(liang)(liang)生(sheng)產。由于其成(cheng)本太高，目(mu)前(qian)只(zhi)能作為區域(yu)性電(dian)站(zhan)來現場(chang)供(gong)電(dian)、供(gong)熱。熔融碳酸型燃(ran)(ran)(ran)(ran)料(liao)(liao)電(dian)池(chi)(chi)(chi)是第(di)二代燃(ran)(ran)(ran)(ran)料(liao)(liao)電(dian)池(chi)(chi)(chi)技術(shu),主要(yao)應(ying)用于設備發電(dian)。固體(ti)氧化(hua)物燃(ran)(ran)(ran)(ran)料(liao)(liao)電(dian)池(chi)(chi)(chi)以其全(quan)固態(tai)結構、更高的能量(liang)(liang)效率(lv)和對(dui)煤氣、天(tian)然氣、混合氣體(ti)等多種燃(ran)(ran)(ran)(ran)料(liao)(liao)氣體(ti)廣泛適應(ying)性等突(tu)出特點，發展最快，應(ying)用廣泛，成(cheng)為第(di)三代燃(ran)(ran)(ran)(ran)料(liao)(liao)電(dian)池(chi)(chi)(chi)。

目前(qian)正在開發的(de)商(shang)用燃(ran)料(liao)電(dian)池還有質子交換膜(mo)燃(ran)料(liao)電(dian)池(PEMFC)。它具有較高的(de)能(neng)量效率和能(neng)量密(mi)度,體積重(zhong)量小，冷啟動時間短,運行安全可(ke)(ke)靠。另(ling)外(wai)，由于使用的(de)電(dian)解質膜(mo)為(wei)固態(tai)，可(ke)(ke)避免電(dian)解質腐蝕。燃(ran)料(liao)電(dian)池技(ji)術(shu)的(de)研究與(yu)開發已(yi)取得(de)了重(zhong)大進展，技(ji)術(shu)逐漸成(cheng)熟，并在一定程度上(shang)實現了商(shang)業化。作為(wei)21世紀的(de)高科技(ji)產品,燃(ran)料(liao)電(dian)池已(yi)應(ying)用于汽車工業、能(neng)源發電(dian)、船舶工業、航空航天、家用電(dian)源等行業，受到各(ge)國政府的(de)重(zhong)視。

我國(guo)(guo)(guo)燃(ran)(ran)(ran)料(liao)(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)研(yan)(yan)究始于20世紀50年代(dai)末(mo)，70年代(dai)國(guo)(guo)(guo)內的(de)(de)(de)燃(ran)(ran)(ran)料(liao)(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)研(yan)(yan)究出現(xian)了(le)第一(yi)次(ci)高峰，主要是(shi)(shi)國(guo)(guo)(guo)家投資的(de)(de)(de)航(hang)天(tian)用AFC,如(ru)氨(an)/空(kong)氣(qi)燃(ran)(ran)(ran)料(liao)(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)、肼/空(kong)氣(qi)燃(ran)(ran)(ran)料(liao)(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)、乙二醇/空(kong)氣(qi)燃(ran)(ran)(ran)料(liao)(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)等(deng)。80年代(dai)我國(guo)(guo)(guo)燃(ran)(ran)(ran)料(liao)(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)研(yan)(yan)究處于低潮，90年代(dai)以來，隨著(zhu)國(guo)(guo)(guo)外燃(ran)(ran)(ran)料(liao)(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)技(ji)術(shu)(shu)取得(de)了(le)重(zhong)大進展，在國(guo)(guo)(guo)內又形成了(le)新一(yi)輪的(de)(de)(de)燃(ran)(ran)(ran)料(liao)(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)研(yan)(yan)究熱潮。1996年召開(kai)(kai)的(de)(de)(de)第59次(ci)香山科學會議(yi)上專門討(tao)論了(le)“燃(ran)(ran)(ran)料(liao)(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)的(de)(de)(de)研(yan)(yan)究現(xian)狀(zhuang)與未來發展”，鑒于PAFC在國(guo)(guo)(guo)外技(ji)術(shu)(shu)已成熟并進入商品開(kai)(kai)發階段，我國(guo)(guo)(guo)重(zhong)點研(yan)(yan)究開(kai)(kai)發PEMFC、MCFC和(he)(he)(he)SOFC。中(zhong)國(guo)(guo)(guo)科學院將(jiang)燃(ran)(ran)(ran)料(liao)(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)技(ji)術(shu)(shu)列為(wei)“九五(wu)”院重(zhong)大和(he)(he)(he)特別支持項目(mu)，國(guo)(guo)(guo)家科委也(ye)相繼將(jiang)燃(ran)(ran)(ran)料(liao)(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)技(ji)術(shu)(shu)包括DAFC列入“九五(wu)”、“十五(wu)”攻關、“ 863”、“973”等(deng)重(zhong)大計劃之中(zhong)。燃(ran)(ran)(ran)料(liao)(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)的(de)(de)(de)開(kai)(kai)發是(shi)(shi)一(yi)較大的(de)(de)(de)系(xi)統工程(cheng)，“官(guan)、產(chan)、研(yan)(yan)”結合是(shi)(shi)國(guo)(guo)(guo)際上燃(ran)(ran)(ran)料(liao)(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)研(yan)(yan)究開(kai)(kai)發的(de)(de)(de)一(yi)個(ge)顯(xian)著(zhu)特點，也(ye)是(shi)(shi)必由之路。目(mu)前，我國(guo)(guo)(guo)政府高度重(zhong)視，研(yan)(yan)究單位眾多，具(ju)有(you)多年的(de)(de)(de)人才(cai)儲備(bei)和(he)(he)(he)科研(yan)(yan)積累，產(chan)業部門的(de)(de)(de)興趣不(bu)斷增加，需求迫切，這(zhe)些都(dou)為(wei)我國(guo)(guo)(guo)燃(ran)(ran)(ran)料(liao)(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)的(de)(de)(de)快速發展帶來了(le)無(wu)限的(de)(de)(de)生機(ji)。

另一(yi)(yi)方面，我國(guo)是一(yi)(yi)個(ge)產煤和(he)燃(ran)煤大國(guo)，煤的(de)(de)(de)總消耗(hao)量約占世界的(de)(de)(de)25%左右，造成(cheng)煤燃(ran)料的(de)(de)(de)極(ji)大浪費和(he)嚴重(zhong)的(de)(de)(de)環境污染。隨著國(guo)民經濟(ji)的(de)(de)(de)快(kuai)速發展和(he)人民生活水(shui)平的(de)(de)(de)不(bu)斷提高，我國(guo)汽(qi)車的(de)(de)(de)擁(yong)有量(包括私人汽(qi)車)迅猛(meng)增長(chang)，致(zhi)使(shi)燃(ran)油的(de)(de)(de)汽(qi)車越(yue)來越(yue)成(cheng)為(wei)重(zhong)要(yao)(yao)的(de)(de)(de)污染源。所以開發燃(ran)料電(dian)池這(zhe)種(zhong)潔凈能源技術(shu)就顯得極(ji)其重(zhong)要(yao)(yao)，這(zhe)也是高效、合理使(shi)用資源和(he)保護環境的(de)(de)(de)一(yi)(yi)個(ge)重(zhong)要(yao)(yao)途徑。