一、燃料電池的組成結構

1、電極

燃料(liao)電池的(de)電極是(shi)燃料(liao)發(fa)生氧(yang)(yang)化(hua)反(fan)(fan)應(ying)(ying)與氧(yang)(yang)化(hua)劑發(fa)生還原(yuan)反(fan)(fan)應(ying)(ying)的(de)電化(hua)學反(fan)(fan)應(ying)(ying)場所，其性(xing)能(neng)的(de)好壞關(guan)鍵在于(yu)觸媒的(de)性(xing)能(neng)、電極的(de)材料(liao)與電極的(de)制程等。

電(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)(ji)主要可分為兩部(bu)分，其一為陽極(ji)(ji)(ji)，另一為陰極(ji)(ji)(ji)，厚(hou)度一般(ban)為200－500mm；其結(jie)構(gou)與(yu)(yu)一般(ban)電(dian)(dian)(dian)池(chi)之平板電(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)(ji)不同之處(chu)，在于燃料電(dian)(dian)(dian)池(chi)的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)(ji)為多(duo)孔結(jie)構(gou)，所(suo)(suo)以(yi)(yi)設(she)計成多(duo)孔結(jie)構(gou)的(de)(de)(de)主要原(yuan)(yuan)因是燃料電(dian)(dian)(dian)池(chi)所(suo)(suo)使(shi)用的(de)(de)(de)燃料及氧(yang)化劑(ji)大多(duo)為氣(qi)體（例(li)如(ru)氧(yang)氣(qi)、氫氣(qi)等），而(er)氣(qi)體在電(dian)(dian)(dian)解質中的(de)(de)(de)溶解度并(bing)不高，為了提高燃料電(dian)(dian)(dian)池(chi)的(de)(de)(de)實(shi)際工作電(dian)(dian)(dian)流密(mi)度與(yu)(yu)降低極(ji)(ji)(ji)化作用，故發展出多(duo)孔結(jie)構(gou)的(de)(de)(de)的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)(ji)，以(yi)(yi)增加參與(yu)(yu)反應的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)(ji)表面積，而(er)此也是燃料電(dian)(dian)(dian)池(chi)當初所(suo)(suo)以(yi)(yi)能從理論研究階(jie)(jie)段(duan)步入實(shi)用化階(jie)(jie)段(duan)的(de)(de)(de)重要關(guan)鍵原(yuan)(yuan)因之一。

目前(qian)高溫燃料(liao)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)之電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)極主(zhu)要(yao)是(shi)以觸媒材(cai)料(liao)制成(cheng)，例(li)如固態氧(yang)化物(wu)燃料(liao)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)的Y2O3－stabilized－ZrO2及(ji)熔融碳酸鹽燃料(liao)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)的氧(yang)化鎳電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)極等，而(er)低(di)溫燃料(liao)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)則主(zhu)要(yao)是(shi)由氣體擴散層支(zhi)撐(cheng)一(yi)薄層觸媒材(cai)料(liao)而(er)構成(cheng)，例(li)如磷(lin)酸燃料(liao)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)與質子交換膜燃料(liao)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)的白金電(dian)(dian)(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(de)主要功能(neng)在(zai)分隔(ge)氧化(hua)劑與還原劑，并傳導離子(zi)，故電(dian)解(jie)質(zhi)隔(ge)膜(mo)(mo)越(yue)薄越(yue)好，但亦需顧(gu)及(ji)強(qiang)度(du)，就(jiu)現階段(duan)的(de)技(ji)術而言，其一(yi)般厚度(du)約在(zai)數十毫(hao)米至(zhi)(zhi)數百毫(hao)米；至(zhi)(zhi)于(yu)材質(zhi)，目前主要朝兩(liang)個(ge)發展(zhan)方向，其一(yi)是先以石棉膜(mo)(mo)、碳(tan)化(hua)硅SiC膜(mo)(mo)、鋁酸(suan)鋰膜(mo)(mo)等絕緣材料制(zhi)成多孔隔(ge)膜(mo)(mo)，再浸入熔融鋰－鉀(jia)碳(tan)酸(suan)鹽(yan)、氫氧化(hua)鉀(jia)與磷酸(suan)等中，使(shi)其附(fu)著在(zai)隔(ge)膜(mo)(mo)孔內，另一(yi)則是采(cai)用全氟(fu)磺酸(suan)樹脂及(ji)YSZ。

3、集電器

集電器(qi)又稱作雙(shuang)極板，具有收集電流、分隔氧化劑與還原(yuan)劑、疏(shu)導反應氣體等之功(gong)用(yong)，集電器(qi)的性能主要取決于其(qi)材料特(te)性、流場(chang)設計及其(qi)加工技術。

二、燃料電池的優點

1、發電效率高

燃料(liao)電(dian)池(chi)發電(dian)不受(shou)卡諾循環的(de)限(xian)制。理論上(shang)，它(ta)的(de)發電(dian)效(xiao)率(lv)(lv)可達到85%～90%，但由于(yu)工作時各種(zhong)極化(hua)的(de)限(xian)制，目前燃料(liao)電(dian)池(chi)的(de)能量轉化(hua)效(xiao)率(lv)(lv)約(yue)為40%～60%。若實(shi)現熱電(dian)聯供，燃料(liao)的(de)總利用(yong)率(lv)(lv)可高達80%以上(shang)。

2、環境污染小

燃(ran)料電池以(yi)天然氣(qi)等(deng)富(fu)氫氣(qi)體為燃(ran)料時，二氧(yang)化碳的(de)(de)排放(fang)量比(bi)熱機(ji)過(guo)程減(jian)少(shao)40%以(yi)上，這對(dui)緩(huan)解地球的(de)(de)溫室效(xiao)應是十(shi)分重要的(de)(de)。另(ling)外，由于燃(ran)料電池的(de)(de)燃(ran)料氣(qi)在反(fan)應前必須脫(tuo)硫，而且按電化學(xue)原理發(fa)電，沒有高(gao)溫燃(ran)燒過(guo)程，因此幾乎不排放(fang)氮和(he)硫的(de)(de)氧(yang)化物，減(jian)輕(qing)了對(dui)大氣(qi)的(de)(de)污染。

3、比能量高

液(ye)氫燃(ran)(ran)料電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)的(de)比(bi)(bi)(bi)能(neng)(neng)量是(shi)鎳(nie)鎘電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)的(de)800倍(bei)，直接甲(jia)醇燃(ran)(ran)料電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)的(de)比(bi)(bi)(bi)能(neng)(neng)量比(bi)(bi)(bi)鋰離子電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(能(neng)(neng)量密度最高(gao)(gao)的(de)充(chong)電(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi))高(gao)(gao)10倍(bei)以上。目前，燃(ran)(ran)料電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)的(de)實際(ji)比(bi)(bi)(bi)能(neng)(neng)量盡管(guan)只有理論(lun)值(zhi)的(de)10%，但仍比(bi)(bi)(bi)一般電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)的(de)實際(ji)比(bi)(bi)(bi)能(neng)(neng)量高(gao)(gao)很多。

4、噪音低

燃料(liao)電池(chi)結構簡單，運(yun)動部件少，工作時噪(zao)聲很(hen)低(di)。即使在11MW級的燃料(liao)電池(chi)發電廠(chang)附近,所測得的噪(zao)音也(ye)低(di)于55dB。

5、燃料范圍廣

對于燃(ran)料電(dian)(dian)池而言，只(zhi)要含有(you)氫(qing)原(yuan)子的物(wu)(wu)質都(dou)可以作為燃(ran)料，例如天然氣、石油、煤炭等化石產(chan)物(wu)(wu),或(huo)是沼氣、酒精、甲醇等，因此燃(ran)料電(dian)(dian)池非常符合能(neng)源多樣化的需(xu)求，可減(jian)緩主流能(neng)源的耗(hao)竭。

6、可靠性高

當(dang)燃料(liao)電池的(de)(de)負載(zai)有變動時(shi)，它(ta)會很快響(xiang)應(ying)。無論處(chu)于額定功(gong)(gong)率以上過載(zai)運行(xing)或低(di)于額定功(gong)(gong)率運行(xing)，它(ta)都能承受且(qie)效率變化不(bu)大。由于燃料(liao)電池的(de)(de)運行(xing)高度可靠(kao)，可作為各種應(ying)急電源和不(bu)間斷電源使用。

7、易于建設

燃料電池(chi)具有組裝式結構，安裝維修方便，不需(xu)要很多輔助設施。燃料電池(chi)電站的(de)設計(ji)和制造相當方便。

三、燃料電池的應用研究

堿(jian)性燃(ran)(ran)料(liao)(liao)(liao)電(dian)池(AFC)是(shi)(shi)最(zui)(zui)早開(kai)發的燃(ran)(ran)料(liao)(liao)(liao)電(dian)池技(ji)(ji)術(shu)，在20世紀60年代就(jiu)成功(gong)的應(ying)(ying)用(yong)(yong)于(yu)航天(tian)飛行領域(yu)。磷酸型(xing)燃(ran)(ran)料(liao)(liao)(liao)電(dian)池也是(shi)(shi)第(di)一(yi)代燃(ran)(ran)料(liao)(liao)(liao)電(dian)池技(ji)(ji)術(shu)，是(shi)(shi)目(mu)前(qian)最(zui)(zui)為成熟的應(ying)(ying)用(yong)(yong)技(ji)(ji)術(shu)，已經(jing)進入了商業化應(ying)(ying)用(yong)(yong)和(he)批量(liang)生(sheng)產(chan)。由于(yu)其(qi)成本太高(gao)，目(mu)前(qian)只能(neng)作為區域(yu)性電(dian)站來(lai)現場供電(dian)、供熱。熔融碳(tan)酸型(xing)燃(ran)(ran)料(liao)(liao)(liao)電(dian)池是(shi)(shi)第(di)二代燃(ran)(ran)料(liao)(liao)(liao)電(dian)池技(ji)(ji)術(shu),主要應(ying)(ying)用(yong)(yong)于(yu)設備發電(dian)。固(gu)體氧化物燃(ran)(ran)料(liao)(liao)(liao)電(dian)池以其(qi)全固(gu)態結構(gou)、更高(gao)的能(neng)量(liang)效率(lv)和(he)對煤氣(qi)(qi)(qi)、天(tian)然氣(qi)(qi)(qi)、混合氣(qi)(qi)(qi)體等多種燃(ran)(ran)料(liao)(liao)(liao)氣(qi)(qi)(qi)體廣泛適(shi)應(ying)(ying)性等突(tu)出特點(dian)，發展最(zui)(zui)快，應(ying)(ying)用(yong)(yong)廣泛，成為第(di)三代燃(ran)(ran)料(liao)(liao)(liao)電(dian)池。

目前正(zheng)在開發(fa)的(de)商用(yong)(yong)燃(ran)(ran)料電池還有(you)質子(zi)交換膜燃(ran)(ran)料電池(PEMFC)。它(ta)具有(you)較高的(de)能量效率和能量密(mi)度,體積重(zhong)量小，冷啟動時間短,運行(xing)安全可(ke)靠。另外，由于使用(yong)(yong)的(de)電解(jie)質膜為(wei)固態，可(ke)避免電解(jie)質腐蝕。燃(ran)(ran)料電池技術的(de)研究與開發(fa)已取得(de)了重(zhong)大進(jin)展，技術逐(zhu)漸成熟，并在一(yi)定程度上實現了商業(ye)(ye)(ye)化。作(zuo)為(wei)21世紀的(de)高科技產品(pin),燃(ran)(ran)料電池已應(ying)用(yong)(yong)于汽車工業(ye)(ye)(ye)、能源發(fa)電、船舶工業(ye)(ye)(ye)、航空航天、家用(yong)(yong)電源等行(xing)業(ye)(ye)(ye)，受(shou)到各國政府的(de)重(zhong)視(shi)。

我(wo)國(guo)(guo)燃(ran)(ran)(ran)料(liao)(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)研究(jiu)(jiu)始于20世(shi)紀50年代(dai)末(mo)，70年代(dai)國(guo)(guo)內(nei)的(de)燃(ran)(ran)(ran)料(liao)(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)研究(jiu)(jiu)出現了(le)(le)第(di)一(yi)次(ci)(ci)高峰，主要是國(guo)(guo)家投資的(de)航天用(yong)AFC,如氨(an)/空(kong)氣燃(ran)(ran)(ran)料(liao)(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)、肼/空(kong)氣燃(ran)(ran)(ran)料(liao)(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)、乙二醇/空(kong)氣燃(ran)(ran)(ran)料(liao)(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)等。80年代(dai)我(wo)國(guo)(guo)燃(ran)(ran)(ran)料(liao)(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)研究(jiu)(jiu)處于低潮，90年代(dai)以來(lai)，隨著(zhu)國(guo)(guo)外燃(ran)(ran)(ran)料(liao)(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)技(ji)(ji)(ji)術取得了(le)(le)重(zhong)(zhong)大(da)進展(zhan)，在國(guo)(guo)內(nei)又形成了(le)(le)新一(yi)輪的(de)燃(ran)(ran)(ran)料(liao)(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)研究(jiu)(jiu)熱(re)潮。1996年召開(kai)的(de)第(di)59次(ci)(ci)香山科學會(hui)議(yi)上專門討論(lun)了(le)(le)“燃(ran)(ran)(ran)料(liao)(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)的(de)研究(jiu)(jiu)現狀與未來(lai)發展(zhan)”，鑒于PAFC在國(guo)(guo)外技(ji)(ji)(ji)術已成熟并進入商品開(kai)發階(jie)段，我(wo)國(guo)(guo)重(zhong)(zhong)點(dian)研究(jiu)(jiu)開(kai)發PEMFC、MCFC和(he)SOFC。中國(guo)(guo)科學院(yuan)(yuan)將燃(ran)(ran)(ran)料(liao)(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)技(ji)(ji)(ji)術列為“九五”院(yuan)(yuan)重(zhong)(zhong)大(da)和(he)特別(bie)支持項目(mu)，國(guo)(guo)家科委也相繼將燃(ran)(ran)(ran)料(liao)(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)技(ji)(ji)(ji)術包括DAFC列入“九五”、“十五”攻關(guan)、“ 863”、“973”等重(zhong)(zhong)大(da)計劃之中。燃(ran)(ran)(ran)料(liao)(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)的(de)開(kai)發是一(yi)較大(da)的(de)系(xi)統工(gong)程，“官、產(chan)、研”結合是國(guo)(guo)際上燃(ran)(ran)(ran)料(liao)(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)研究(jiu)(jiu)開(kai)發的(de)一(yi)個顯著(zhu)特點(dian)，也是必由之路。目(mu)前，我(wo)國(guo)(guo)政府高度重(zhong)(zhong)視(shi)，研究(jiu)(jiu)單(dan)位眾(zhong)多，具有多年的(de)人才儲備和(he)科研積累，產(chan)業(ye)部(bu)門的(de)興趣不斷(duan)增(zeng)加(jia)，需(xu)求迫切，這些都為我(wo)國(guo)(guo)燃(ran)(ran)(ran)料(liao)(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)的(de)快速發展(zhan)帶來(lai)了(le)(le)無限的(de)生(sheng)機(ji)。

另一方面，我國(guo)是一個產煤(mei)(mei)和(he)燃(ran)煤(mei)(mei)大國(guo)，煤(mei)(mei)的(de)總消耗量(liang)約占(zhan)世(shi)界(jie)的(de)25%左(zuo)右，造(zao)成煤(mei)(mei)燃(ran)料的(de)極大浪費和(he)嚴重的(de)環境(jing)污(wu)(wu)染。隨(sui)著國(guo)民(min)(min)經濟的(de)快速發展和(he)人民(min)(min)生活水平的(de)不斷提高(gao)，我國(guo)汽(qi)車(che)的(de)擁有量(liang)(包括私人汽(qi)車(che))迅(xun)猛增(zeng)長，致使(shi)燃(ran)油的(de)汽(qi)車(che)越來(lai)越成為重要的(de)污(wu)(wu)染源(yuan)(yuan)。所以(yi)開(kai)發燃(ran)料電池這種(zhong)潔凈能源(yuan)(yuan)技術就顯得(de)極其(qi)重要，這也是高(gao)效(xiao)、合理使(shi)用資源(yuan)(yuan)和(he)保(bao)護環境(jing)的(de)一個重要途徑。