一、燃料電池的組成結構

1、電極

燃(ran)(ran)料(liao)電(dian)池的(de)(de)電(dian)極(ji)是燃(ran)(ran)料(liao)發(fa)生氧化反應(ying)與(yu)氧化劑發(fa)生還原反應(ying)的(de)(de)電(dian)化學反應(ying)場所(suo)，其性(xing)能的(de)(de)好壞關鍵在于(yu)觸媒的(de)(de)性(xing)能、電(dian)極(ji)的(de)(de)材(cai)料(liao)與(yu)電(dian)極(ji)的(de)(de)制程等。

電(dian)極(ji)主要(yao)可(ke)分為(wei)兩部分，其一(yi)為(wei)陽極(ji)，另(ling)一(yi)為(wei)陰極(ji)，厚度(du)(du)(du)一(yi)般為(wei)200－500mm；其結構(gou)與一(yi)般電(dian)池(chi)(chi)之平板(ban)電(dian)極(ji)不同之處，在于燃(ran)(ran)料(liao)(liao)(liao)電(dian)池(chi)(chi)的(de)(de)(de)電(dian)極(ji)為(wei)多(duo)孔(kong)結構(gou)，所(suo)以設計成(cheng)多(duo)孔(kong)結構(gou)的(de)(de)(de)主要(yao)原(yuan)因是燃(ran)(ran)料(liao)(liao)(liao)電(dian)池(chi)(chi)所(suo)使用的(de)(de)(de)燃(ran)(ran)料(liao)(liao)(liao)及氧(yang)化(hua)(hua)劑大多(duo)為(wei)氣(qi)體(ti)（例(li)如(ru)氧(yang)氣(qi)、氫氣(qi)等），而氣(qi)體(ti)在電(dian)解質(zhi)中的(de)(de)(de)溶解度(du)(du)(du)并不高，為(wei)了提高燃(ran)(ran)料(liao)(liao)(liao)電(dian)池(chi)(chi)的(de)(de)(de)實際工作電(dian)流密度(du)(du)(du)與降(jiang)低(di)極(ji)化(hua)(hua)作用，故(gu)發(fa)展出多(duo)孔(kong)結構(gou)的(de)(de)(de)的(de)(de)(de)電(dian)極(ji)，以增加參與反(fan)應的(de)(de)(de)電(dian)極(ji)表面積(ji)，而此也是燃(ran)(ran)料(liao)(liao)(liao)電(dian)池(chi)(chi)當初所(suo)以能從(cong)理論研究(jiu)階段步入(ru)實用化(hua)(hua)階段的(de)(de)(de)重要(yao)關鍵原(yuan)因之一(yi)。

目前(qian)高溫(wen)燃料(liao)電(dian)(dian)池(chi)(chi)之電(dian)(dian)極主要(yao)是以觸媒材料(liao)制成(cheng)(cheng)，例如固(gu)態氧(yang)化物燃料(liao)電(dian)(dian)池(chi)(chi)的(de)Y2O3－stabilized－ZrO2及熔(rong)融碳酸鹽燃料(liao)電(dian)(dian)池(chi)(chi)的(de)氧(yang)化鎳電(dian)(dian)極等，而低溫(wen)燃料(liao)電(dian)(dian)池(chi)(chi)則主要(yao)是由氣體(ti)擴(kuo)散層支撐一(yi)薄層觸媒材料(liao)而構成(cheng)(cheng)，例如磷(lin)酸燃料(liao)電(dian)(dian)池(chi)(chi)與(yu)質子交換膜(mo)燃料(liao)電(dian)(dian)池(chi)(chi)的(de)白金電(dian)(dian)極等。

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2、電解質隔膜

電(dian)解質隔(ge)(ge)膜的主要功能在(zai)分隔(ge)(ge)氧(yang)化劑與(yu)還(huan)原(yuan)劑，并傳導離子，故電(dian)解質隔(ge)(ge)膜越薄越好，但亦需(xu)顧及(ji)強度，就現階段的技術而言，其(qi)(qi)一(yi)般厚度約在(zai)數十毫米(mi)至(zhi)數百毫米(mi)；至(zhi)于材(cai)質，目前主要朝兩個(ge)發展(zhan)方向，其(qi)(qi)一(yi)是(shi)先以石棉膜、碳(tan)化硅SiC膜、鋁酸鋰膜等絕緣材(cai)料制成多孔隔(ge)(ge)膜，再浸入(ru)熔融鋰－鉀(jia)碳(tan)酸鹽、氫(qing)氧(yang)化鉀(jia)與(yu)磷酸等中(zhong)，使其(qi)(qi)附著在(zai)隔(ge)(ge)膜孔內(nei)，另一(yi)則是(shi)采用全氟(fu)磺酸樹脂及(ji)YSZ。

3、集電器

集電器(qi)又稱(cheng)作雙(shuang)極板，具(ju)有(you)收集電流(liu)、分隔氧化劑與(yu)還原(yuan)劑、疏導反應氣體等(deng)之功用(yong)，集電器(qi)的性能主要取決于其(qi)材料特性、流(liu)場設(she)計(ji)及其(qi)加工技術。

二、燃料電池的優點

1、發電效率高

燃(ran)料電(dian)池發電(dian)不受(shou)卡(ka)諾(nuo)循(xun)環(huan)的(de)限制。理論上(shang)，它(ta)的(de)發電(dian)效(xiao)率可達到85%～90%，但(dan)由于工作時各種極化(hua)的(de)限制，目(mu)前燃(ran)料電(dian)池的(de)能(neng)量轉化(hua)效(xiao)率約為(wei)40%～60%。若(ruo)實現熱(re)電(dian)聯供，燃(ran)料的(de)總利用率可高達80%以(yi)上(shang)。

2、環境污染小

燃(ran)料電(dian)池(chi)以天然氣(qi)等(deng)富氫(qing)氣(qi)體為燃(ran)料時，二氧(yang)(yang)化碳的(de)排放量比熱機過程減(jian)少40%以上，這(zhe)對(dui)緩解地球的(de)溫室效應(ying)是十分重要的(de)。另外，由于燃(ran)料電(dian)池(chi)的(de)燃(ran)料氣(qi)在反應(ying)前必須脫硫(liu)，而且按電(dian)化學原(yuan)理發(fa)電(dian)，沒(mei)有(you)高溫燃(ran)燒(shao)過程，因此幾(ji)乎不排放氮和硫(liu)的(de)氧(yang)(yang)化物，減(jian)輕了對(dui)大氣(qi)的(de)污染。

3、比能量高

液氫燃料電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)的(de)(de)比能(neng)(neng)量(liang)(liang)是鎳鎘電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)的(de)(de)800倍，直(zhi)接甲醇燃料電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)的(de)(de)比能(neng)(neng)量(liang)(liang)比鋰離子電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(能(neng)(neng)量(liang)(liang)密度最高的(de)(de)充電(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi))高10倍以上(shang)。目前，燃料電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)的(de)(de)實際比能(neng)(neng)量(liang)(liang)盡(jin)管只有(you)理論值的(de)(de)10%，但仍比一(yi)般電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)的(de)(de)實際比能(neng)(neng)量(liang)(liang)高很多。

4、噪音低

燃料(liao)電池結構簡單，運動部件(jian)少，工(gong)作時噪聲(sheng)很低。即使(shi)在(zai)11MW級(ji)的燃料(liao)電池發(fa)電廠附近(jin),所測得(de)的噪音也(ye)低于55dB。

5、燃料范圍廣

對于燃(ran)料電(dian)池(chi)而言，只(zhi)要(yao)含有氫原子的(de)(de)物質都(dou)可以作為燃(ran)料，例如天(tian)然(ran)氣(qi)、石油、煤(mei)炭等(deng)(deng)化石產物,或(huo)是沼氣(qi)、酒精、甲醇等(deng)(deng)，因此燃(ran)料電(dian)池(chi)非常(chang)符(fu)合能(neng)源多樣(yang)化的(de)(de)需(xu)求，可減緩(huan)主流能(neng)源的(de)(de)耗竭。

6、可靠性高

當燃(ran)料(liao)電(dian)池的負(fu)載有變(bian)動時，它(ta)(ta)會很快響(xiang)應(ying)。無(wu)論處(chu)于(yu)額(e)(e)定(ding)功率以上過載運行(xing)或(huo)低(di)于(yu)額(e)(e)定(ding)功率運行(xing)，它(ta)(ta)都能承受且效率變(bian)化不大。由于(yu)燃(ran)料(liao)電(dian)池的運行(xing)高度可(ke)(ke)靠，可(ke)(ke)作為各種應(ying)急電(dian)源和不間斷電(dian)源使用。

7、易于建設

燃料電(dian)池具有(you)組裝式結構，安裝維修方便(bian)，不需要很多輔(fu)助設施。燃料電(dian)池電(dian)站的設計和制造相當方便(bian)。

三、燃料電池的應用研究

堿性燃料(liao)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(AFC)是(shi)最(zui)早開發的燃料(liao)電(dian)(dian)(dian)池(chi)技術(shu)，在20世紀(ji)60年代就成(cheng)(cheng)功的應(ying)用(yong)于航天飛行領域。磷酸型燃料(liao)電(dian)(dian)(dian)池(chi)也是(shi)第一代燃料(liao)電(dian)(dian)(dian)池(chi)技術(shu)，是(shi)目前最(zui)為(wei)成(cheng)(cheng)熟的應(ying)用(yong)技術(shu)，已經進入了商業化應(ying)用(yong)和批量生產。由(you)于其(qi)成(cheng)(cheng)本太高，目前只能作為(wei)區域性電(dian)(dian)(dian)站來現場供(gong)電(dian)(dian)(dian)、供(gong)熱。熔融碳(tan)酸型燃料(liao)電(dian)(dian)(dian)池(chi)是(shi)第二代燃料(liao)電(dian)(dian)(dian)池(chi)技術(shu),主要應(ying)用(yong)于設備發電(dian)(dian)(dian)。固體氧化物(wu)燃料(liao)電(dian)(dian)(dian)池(chi)以(yi)其(qi)全固態結構、更(geng)高的能量效(xiao)率和對煤氣、天然氣、混合氣體等多種燃料(liao)氣體廣泛(fan)適應(ying)性等突(tu)出特點，發展(zhan)最(zui)快，應(ying)用(yong)廣泛(fan)，成(cheng)(cheng)為(wei)第三代燃料(liao)電(dian)(dian)(dian)池(chi)。

目前正在開(kai)發的(de)(de)商用(yong)燃料(liao)(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)池還(huan)有質(zhi)(zhi)子交換膜燃料(liao)(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)池(PEMFC)。它具(ju)有較(jiao)高的(de)(de)能量(liang)效率和能量(liang)密度,體積重(zhong)量(liang)小(xiao)，冷啟動時(shi)間短,運行安(an)全可靠。另外(wai)，由于(yu)使用(yong)的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)解(jie)質(zhi)(zhi)膜為固態，可避免電(dian)(dian)(dian)解(jie)質(zhi)(zhi)腐(fu)蝕。燃料(liao)(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)池技(ji)術(shu)的(de)(de)研究與開(kai)發已(yi)取得了重(zhong)大進展(zhan)，技(ji)術(shu)逐(zhu)漸成熟，并在一定程度上實(shi)現(xian)了商業(ye)化。作(zuo)為21世紀的(de)(de)高科技(ji)產品,燃料(liao)(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)池已(yi)應用(yong)于(yu)汽車工業(ye)、能源發電(dian)(dian)(dian)、船舶工業(ye)、航空航天、家用(yong)電(dian)(dian)(dian)源等行業(ye)，受到各國政府的(de)(de)重(zhong)視。

我(wo)國(guo)(guo)燃(ran)(ran)(ran)料(liao)電(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)研(yan)(yan)究(jiu)始于(yu)(yu)20世(shi)紀50年(nian)代(dai)(dai)(dai)末，70年(nian)代(dai)(dai)(dai)國(guo)(guo)內(nei)的(de)(de)(de)燃(ran)(ran)(ran)料(liao)電(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)研(yan)(yan)究(jiu)出現(xian)了(le)(le)第(di)一次高(gao)峰，主(zhu)要是國(guo)(guo)家(jia)投資(zi)的(de)(de)(de)航天用(yong)AFC,如氨/空(kong)氣(qi)燃(ran)(ran)(ran)料(liao)電(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)、肼/空(kong)氣(qi)燃(ran)(ran)(ran)料(liao)電(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)、乙二(er)醇(chun)/空(kong)氣(qi)燃(ran)(ran)(ran)料(liao)電(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)等。80年(nian)代(dai)(dai)(dai)我(wo)國(guo)(guo)燃(ran)(ran)(ran)料(liao)電(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)研(yan)(yan)究(jiu)處于(yu)(yu)低潮，90年(nian)代(dai)(dai)(dai)以來(lai)，隨著國(guo)(guo)外燃(ran)(ran)(ran)料(liao)電(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)技(ji)術取得了(le)(le)重(zhong)大進展(zhan)，在國(guo)(guo)內(nei)又形成了(le)(le)新一輪的(de)(de)(de)燃(ran)(ran)(ran)料(liao)電(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)研(yan)(yan)究(jiu)熱(re)潮。1996年(nian)召開(kai)的(de)(de)(de)第(di)59次香山科學(xue)會議上(shang)專門討論了(le)(le)“燃(ran)(ran)(ran)料(liao)電(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)的(de)(de)(de)研(yan)(yan)究(jiu)現(xian)狀與未來(lai)發(fa)(fa)展(zhan)”，鑒于(yu)(yu)PAFC在國(guo)(guo)外技(ji)術已成熟并(bing)進入商(shang)品開(kai)發(fa)(fa)階段(duan)，我(wo)國(guo)(guo)重(zhong)點(dian)研(yan)(yan)究(jiu)開(kai)發(fa)(fa)PEMFC、MCFC和(he)SOFC。中國(guo)(guo)科學(xue)院(yuan)將燃(ran)(ran)(ran)料(liao)電(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)技(ji)術列(lie)為(wei)“九五”院(yuan)重(zhong)大和(he)特(te)別支持項目(mu)，國(guo)(guo)家(jia)科委也(ye)相繼(ji)將燃(ran)(ran)(ran)料(liao)電(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)技(ji)術包(bao)括(kuo)DAFC列(lie)入“九五”、“十五”攻關(guan)、“ 863”、“973”等重(zhong)大計劃之中。燃(ran)(ran)(ran)料(liao)電(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)的(de)(de)(de)開(kai)發(fa)(fa)是一較大的(de)(de)(de)系統工程，“官、產、研(yan)(yan)”結合是國(guo)(guo)際上(shang)燃(ran)(ran)(ran)料(liao)電(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)研(yan)(yan)究(jiu)開(kai)發(fa)(fa)的(de)(de)(de)一個顯著特(te)點(dian)，也(ye)是必(bi)由之路。目(mu)前，我(wo)國(guo)(guo)政府(fu)高(gao)度重(zhong)視，研(yan)(yan)究(jiu)單位眾多(duo)，具有多(duo)年(nian)的(de)(de)(de)人才儲備和(he)科研(yan)(yan)積累，產業(ye)部門的(de)(de)(de)興(xing)趣不斷增(zeng)加，需求迫切(qie)，這些都為(wei)我(wo)國(guo)(guo)燃(ran)(ran)(ran)料(liao)電(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)的(de)(de)(de)快速發(fa)(fa)展(zhan)帶來(lai)了(le)(le)無限的(de)(de)(de)生機。

另一(yi)方面，我(wo)國是一(yi)個產煤和(he)燃煤大國，煤的(de)(de)總(zong)消耗量約占(zhan)世界的(de)(de)25%左右，造(zao)成(cheng)煤燃料的(de)(de)極(ji)大浪費和(he)嚴重(zhong)的(de)(de)環境污染。隨著國民經濟(ji)的(de)(de)快速發展和(he)人民生活(huo)水平的(de)(de)不斷提高，我(wo)國汽車(che)的(de)(de)擁(yong)有(you)量(包括私人汽車(che))迅(xun)猛增長，致(zhi)使燃油的(de)(de)汽車(che)越來越成(cheng)為(wei)重(zhong)要(yao)的(de)(de)污染源(yuan)。所(suo)以開(kai)發燃料電池(chi)這(zhe)種(zhong)潔(jie)凈能源(yuan)技術(shu)就顯得極(ji)其重(zhong)要(yao)，這(zhe)也是高效、合理使用資(zi)源(yuan)和(he)保(bao)護(hu)環境的(de)(de)一(yi)個重(zhong)要(yao)途(tu)徑。