一、燃料電池的組成結構

1、電極

燃(ran)料(liao)(liao)電(dian)池的(de)電(dian)極(ji)是燃(ran)料(liao)(liao)發生(sheng)氧化反應(ying)(ying)與氧化劑發生(sheng)還原反應(ying)(ying)的(de)電(dian)化學反應(ying)(ying)場所，其性(xing)能的(de)好壞關(guan)鍵在于觸媒的(de)性(xing)能、電(dian)極(ji)的(de)材料(liao)(liao)與電(dian)極(ji)的(de)制程等。

電(dian)(dian)極(ji)主要(yao)(yao)可分為(wei)兩部分，其一(yi)為(wei)陽極(ji)，另一(yi)為(wei)陰極(ji)，厚度一(yi)般(ban)為(wei)200－500mm；其結(jie)(jie)構與一(yi)般(ban)電(dian)(dian)池(chi)(chi)之(zhi)平板(ban)電(dian)(dian)極(ji)不同之(zhi)處，在(zai)于燃(ran)(ran)料(liao)(liao)電(dian)(dian)池(chi)(chi)的(de)(de)電(dian)(dian)極(ji)為(wei)多孔結(jie)(jie)構，所(suo)以設計(ji)成多孔結(jie)(jie)構的(de)(de)主要(yao)(yao)原(yuan)(yuan)因是(shi)燃(ran)(ran)料(liao)(liao)電(dian)(dian)池(chi)(chi)所(suo)使用的(de)(de)燃(ran)(ran)料(liao)(liao)及(ji)氧(yang)化(hua)劑大(da)多為(wei)氣(qi)(qi)體（例如氧(yang)氣(qi)(qi)、氫氣(qi)(qi)等），而(er)氣(qi)(qi)體在(zai)電(dian)(dian)解質中的(de)(de)溶解度并不高(gao)，為(wei)了提高(gao)燃(ran)(ran)料(liao)(liao)電(dian)(dian)池(chi)(chi)的(de)(de)實(shi)際工作(zuo)電(dian)(dian)流密度與降低極(ji)化(hua)作(zuo)用，故(gu)發展出(chu)多孔結(jie)(jie)構的(de)(de)的(de)(de)電(dian)(dian)極(ji)，以增加參與反應的(de)(de)電(dian)(dian)極(ji)表面積(ji)，而(er)此也(ye)是(shi)燃(ran)(ran)料(liao)(liao)電(dian)(dian)池(chi)(chi)當初所(suo)以能從理論研(yan)究(jiu)階段(duan)步入實(shi)用化(hua)階段(duan)的(de)(de)重要(yao)(yao)關鍵原(yuan)(yuan)因之(zhi)一(yi)。

目前高溫燃料(liao)電(dian)(dian)(dian)池(chi)之電(dian)(dian)(dian)極主(zhu)要是(shi)以觸(chu)媒材料(liao)制成(cheng)，例如固(gu)態氧(yang)(yang)化(hua)物燃料(liao)電(dian)(dian)(dian)池(chi)的Y2O3－stabilized－ZrO2及熔融碳酸鹽燃料(liao)電(dian)(dian)(dian)池(chi)的氧(yang)(yang)化(hua)鎳電(dian)(dian)(dian)極等，而(er)低溫燃料(liao)電(dian)(dian)(dian)池(chi)則主(zhu)要是(shi)由氣體擴散層(ceng)支(zhi)撐一薄層(ceng)觸(chu)媒材料(liao)而(er)構成(cheng)，例如磷酸燃料(liao)電(dian)(dian)(dian)池(chi)與質子交(jiao)換(huan)膜燃料(liao)電(dian)(dian)(dian)池(chi)的白(bai)金電(dian)(dian)(dian)極等。

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2、電解質隔膜

電(dian)解(jie)質(zhi)隔(ge)膜(mo)(mo)的主(zhu)要功能在分隔(ge)氧化(hua)(hua)劑(ji)與(yu)還原劑(ji)，并傳導離子，故(gu)電(dian)解(jie)質(zhi)隔(ge)膜(mo)(mo)越薄越好，但亦需顧及(ji)強度，就現階段的技術而言，其一(yi)般(ban)厚度約在數(shu)十毫米至(zhi)數(shu)百毫米；至(zhi)于材質(zhi)，目前主(zhu)要朝兩個發展方向(xiang)，其一(yi)是(shi)先(xian)以(yi)石棉膜(mo)(mo)、碳(tan)化(hua)(hua)硅SiC膜(mo)(mo)、鋁酸(suan)(suan)鋰(li)膜(mo)(mo)等絕緣材料(liao)制成多孔(kong)隔(ge)膜(mo)(mo)，再浸入(ru)熔融鋰(li)－鉀碳(tan)酸(suan)(suan)鹽、氫氧化(hua)(hua)鉀與(yu)磷酸(suan)(suan)等中(zhong)，使其附著在隔(ge)膜(mo)(mo)孔(kong)內，另一(yi)則是(shi)采(cai)用全氟磺(huang)酸(suan)(suan)樹脂及(ji)YSZ。

3、集電器

集電器又稱(cheng)作(zuo)雙極板(ban)，具(ju)有收集電流(liu)、分(fen)隔氧化劑(ji)與還原劑(ji)、疏導反應(ying)氣體等之功用，集電器的性能主要取決于(yu)其(qi)材料特性、流(liu)場(chang)設(she)計及其(qi)加工技術。

二、燃料電池的優點

1、發電效率高

燃料電池發電不受卡諾循環的(de)(de)限制。理論(lun)上，它(ta)的(de)(de)發電效率(lv)可達(da)到85%～90%，但由(you)于(yu)工作時(shi)各種極化的(de)(de)限制，目前燃料電池的(de)(de)能量轉化效率(lv)約為40%～60%。若實現熱電聯供(gong)，燃料的(de)(de)總(zong)利用率(lv)可高達(da)80%以上。

2、環境污染小

燃料(liao)(liao)電(dian)(dian)池以(yi)天然氣等富氫氣體為(wei)燃料(liao)(liao)時(shi)，二氧(yang)化碳的排(pai)放量比熱機過程減少40%以(yi)上，這對緩解地球(qiu)的溫(wen)室效應是十分重(zhong)要的。另外，由于(yu)燃料(liao)(liao)電(dian)(dian)池的燃料(liao)(liao)氣在(zai)反應前必須(xu)脫硫，而且按(an)電(dian)(dian)化學(xue)原理發電(dian)(dian)，沒有高溫(wen)燃燒過程，因此幾乎不排(pai)放氮和硫的氧(yang)化物，減輕了(le)對大氣的污染。

3、比能量高

液氫燃料電(dian)(dian)池的(de)比(bi)能(neng)量是(shi)鎳鎘電(dian)(dian)池的(de)800倍(bei)，直接甲醇燃料電(dian)(dian)池的(de)比(bi)能(neng)量比(bi)鋰離子電(dian)(dian)池(能(neng)量密度最高的(de)充電(dian)(dian)電(dian)(dian)池)高10倍(bei)以上。目(mu)前，燃料電(dian)(dian)池的(de)實(shi)際(ji)(ji)比(bi)能(neng)量盡管只有理(li)論(lun)值的(de)10%，但仍比(bi)一般電(dian)(dian)池的(de)實(shi)際(ji)(ji)比(bi)能(neng)量高很多。

4、噪音低

燃料電(dian)(dian)池結構簡單，運動部(bu)件少(shao)，工作時噪(zao)聲很低(di)。即使(shi)在11MW級(ji)的燃料電(dian)(dian)池發電(dian)(dian)廠附近,所(suo)測(ce)得(de)的噪(zao)音也低(di)于(yu)55dB。

5、燃料范圍廣

對于燃(ran)料(liao)電池而言，只要含有(you)氫原子的(de)物質都可(ke)以作(zuo)為燃(ran)料(liao)，例(li)如天然(ran)氣(qi)、石油、煤炭等化石產(chan)物,或是沼氣(qi)、酒精、甲醇等，因此燃(ran)料(liao)電池非常符合能源多樣化的(de)需求，可(ke)減緩主(zhu)流(liu)能源的(de)耗竭。

6、可靠性高

當燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)的負載(zai)有(you)變(bian)動時(shi)，它會(hui)很快(kuai)響應(ying)。無論處(chu)于(yu)額定(ding)功率以上(shang)過載(zai)運行(xing)或低(di)于(yu)額定(ding)功率運行(xing)，它都能承受且(qie)效率變(bian)化不大(da)。由于(yu)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)的運行(xing)高度(du)可靠，可作為各(ge)種應(ying)急電(dian)源和不間斷電(dian)源使用。

7、易于建設

燃料(liao)電池具有組裝式結(jie)構，安裝維修方(fang)便(bian)，不(bu)需要很多(duo)輔(fu)助設(she)施。燃料(liao)電池電站的設(she)計(ji)和制造(zao)相當方(fang)便(bian)。

三、燃料電池的應用研究

堿性(xing)(xing)燃(ran)(ran)料(liao)(liao)電(dian)(dian)池(chi)(AFC)是最早(zao)開發(fa)的(de)燃(ran)(ran)料(liao)(liao)電(dian)(dian)池(chi)技術(shu)，在20世紀60年(nian)代就成(cheng)功的(de)應用(yong)于(yu)航天(tian)飛行領域。磷(lin)酸型燃(ran)(ran)料(liao)(liao)電(dian)(dian)池(chi)也是第一代燃(ran)(ran)料(liao)(liao)電(dian)(dian)池(chi)技術(shu)，是目前(qian)最為(wei)成(cheng)熟(shu)的(de)應用(yong)技術(shu)，已經進入了商業化應用(yong)和批量生產。由于(yu)其成(cheng)本太高(gao)，目前(qian)只能作為(wei)區域性(xing)(xing)電(dian)(dian)站來現場供電(dian)(dian)、供熱。熔融碳酸型燃(ran)(ran)料(liao)(liao)電(dian)(dian)池(chi)是第二代燃(ran)(ran)料(liao)(liao)電(dian)(dian)池(chi)技術(shu),主要應用(yong)于(yu)設(she)備發(fa)電(dian)(dian)。固(gu)體氧(yang)化物(wu)燃(ran)(ran)料(liao)(liao)電(dian)(dian)池(chi)以其全(quan)固(gu)態(tai)結構、更高(gao)的(de)能量效(xiao)率和對煤(mei)氣、天(tian)然氣、混合氣體等多種燃(ran)(ran)料(liao)(liao)氣體廣泛適應性(xing)(xing)等突出特點，發(fa)展最快，應用(yong)廣泛，成(cheng)為(wei)第三代燃(ran)(ran)料(liao)(liao)電(dian)(dian)池(chi)。

目前正(zheng)在開發(fa)的(de)商(shang)用燃料(liao)電(dian)(dian)池還(huan)有(you)質子交(jiao)換膜燃料(liao)電(dian)(dian)池(PEMFC)。它具有(you)較(jiao)高的(de)能(neng)量效率和(he)能(neng)量密度(du)(du),體積(ji)重(zhong)量小，冷啟動時間短,運行安全可靠。另外，由于使用的(de)電(dian)(dian)解質膜為固(gu)態，可避免(mian)電(dian)(dian)解質腐蝕。燃料(liao)電(dian)(dian)池技(ji)術的(de)研究與(yu)開發(fa)已(yi)取得了重(zhong)大進展(zhan)，技(ji)術逐漸(jian)成熟(shu)，并(bing)在一定(ding)程度(du)(du)上(shang)實現了商(shang)業(ye)化。作為21世(shi)紀的(de)高科技(ji)產品,燃料(liao)電(dian)(dian)池已(yi)應用于汽車工業(ye)、能(neng)源發(fa)電(dian)(dian)、船舶工業(ye)、航空航天、家用電(dian)(dian)源等行業(ye)，受到各(ge)國政(zheng)府的(de)重(zhong)視。

我國(guo)(guo)燃(ran)料(liao)(liao)(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)池研(yan)究(jiu)(jiu)始于20世紀(ji)50年(nian)代末(mo)，70年(nian)代國(guo)(guo)內的(de)(de)燃(ran)料(liao)(liao)(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)池研(yan)究(jiu)(jiu)出現了第一(yi)次高峰(feng)，主要是國(guo)(guo)家(jia)投(tou)資的(de)(de)航天用AFC,如氨/空氣燃(ran)料(liao)(liao)(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)池、肼/空氣燃(ran)料(liao)(liao)(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)池、乙二醇/空氣燃(ran)料(liao)(liao)(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)池等。80年(nian)代我國(guo)(guo)燃(ran)料(liao)(liao)(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)池研(yan)究(jiu)(jiu)處于低潮，90年(nian)代以來(lai)，隨著國(guo)(guo)外燃(ran)料(liao)(liao)(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)池技術取(qu)得了重(zhong)大進(jin)展，在(zai)國(guo)(guo)內又形成(cheng)(cheng)了新一(yi)輪的(de)(de)燃(ran)料(liao)(liao)(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)池研(yan)究(jiu)(jiu)熱潮。1996年(nian)召開(kai)(kai)的(de)(de)第59次香山科(ke)學會議(yi)上專門(men)討(tao)論了“燃(ran)料(liao)(liao)(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)池的(de)(de)研(yan)究(jiu)(jiu)現狀與未來(lai)發(fa)展”，鑒(jian)于PAFC在(zai)國(guo)(guo)外技術已(yi)成(cheng)(cheng)熟并(bing)進(jin)入(ru)(ru)商品開(kai)(kai)發(fa)階段，我國(guo)(guo)重(zhong)點研(yan)究(jiu)(jiu)開(kai)(kai)發(fa)PEMFC、MCFC和SOFC。中國(guo)(guo)科(ke)學院將燃(ran)料(liao)(liao)(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)池技術列(lie)為“九五”院重(zhong)大和特別支(zhi)持項目(mu)，國(guo)(guo)家(jia)科(ke)委也相繼將燃(ran)料(liao)(liao)(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)池技術包括DAFC列(lie)入(ru)(ru)“九五”、“十五”攻關、“ 863”、“973”等重(zhong)大計劃之中。燃(ran)料(liao)(liao)(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)池的(de)(de)開(kai)(kai)發(fa)是一(yi)較大的(de)(de)系統工(gong)程(cheng)，“官、產(chan)、研(yan)”結合是國(guo)(guo)際上燃(ran)料(liao)(liao)(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)池研(yan)究(jiu)(jiu)開(kai)(kai)發(fa)的(de)(de)一(yi)個(ge)顯著特點，也是必由之路(lu)。目(mu)前，我國(guo)(guo)政府高度重(zhong)視，研(yan)究(jiu)(jiu)單(dan)位眾(zhong)多，具有(you)多年(nian)的(de)(de)人(ren)才儲備和科(ke)研(yan)積(ji)累，產(chan)業部門(men)的(de)(de)興趣(qu)不斷(duan)增加，需求迫切，這些都為我國(guo)(guo)燃(ran)料(liao)(liao)(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)池的(de)(de)快速發(fa)展帶來(lai)了無限的(de)(de)生(sheng)機。

另一(yi)方面，我國(guo)是一(yi)個產煤(mei)(mei)和(he)(he)燃(ran)(ran)煤(mei)(mei)大國(guo)，煤(mei)(mei)的(de)總消(xiao)耗量(liang)(liang)約(yue)占世界的(de)25%左右，造成煤(mei)(mei)燃(ran)(ran)料的(de)極(ji)大浪費和(he)(he)嚴重(zhong)的(de)環(huan)(huan)境污(wu)染。隨著國(guo)民經濟的(de)快(kuai)速發展和(he)(he)人(ren)民生活水平的(de)不斷提高(gao)，我國(guo)汽車(che)的(de)擁有量(liang)(liang)(包括私人(ren)汽車(che))迅猛增長，致使燃(ran)(ran)油的(de)汽車(che)越來越成為(wei)重(zhong)要(yao)(yao)的(de)污(wu)染源(yuan)(yuan)。所以開(kai)發燃(ran)(ran)料電池這種潔(jie)凈能源(yuan)(yuan)技術(shu)就顯得極(ji)其重(zhong)要(yao)(yao)，這也(ye)是高(gao)效、合(he)理使用(yong)資源(yuan)(yuan)和(he)(he)保護環(huan)(huan)境的(de)一(yi)個重(zhong)要(yao)(yao)途徑。