一、燃料電池的組成結構

1、電極

燃(ran)料(liao)(liao)電池的電極(ji)(ji)是燃(ran)料(liao)(liao)發(fa)生氧(yang)(yang)化(hua)(hua)反應(ying)與氧(yang)(yang)化(hua)(hua)劑發(fa)生還原反應(ying)的電化(hua)(hua)學反應(ying)場所，其性能的好壞關鍵在于(yu)觸媒的性能、電極(ji)(ji)的材料(liao)(liao)與電極(ji)(ji)的制程等。

電(dian)(dian)極(ji)主要(yao)可分為(wei)兩(liang)部分，其(qi)一為(wei)陽極(ji)，另一為(wei)陰極(ji)，厚度(du)一般為(wei)200－500mm；其(qi)結(jie)構與一般電(dian)(dian)池(chi)之(zhi)平板(ban)電(dian)(dian)極(ji)不(bu)同之(zhi)處，在于燃(ran)(ran)料電(dian)(dian)池(chi)的(de)電(dian)(dian)極(ji)為(wei)多(duo)孔(kong)結(jie)構，所(suo)以(yi)設計成多(duo)孔(kong)結(jie)構的(de)主要(yao)原因(yin)是燃(ran)(ran)料電(dian)(dian)池(chi)所(suo)使用(yong)的(de)燃(ran)(ran)料及(ji)氧化劑大(da)多(duo)為(wei)氣體(ti)（例如氧氣、氫氣等(deng)），而氣體(ti)在電(dian)(dian)解(jie)質(zhi)中的(de)溶解(jie)度(du)并不(bu)高，為(wei)了提高燃(ran)(ran)料電(dian)(dian)池(chi)的(de)實際工作電(dian)(dian)流密度(du)與降(jiang)低極(ji)化作用(yong)，故發展出多(duo)孔(kong)結(jie)構的(de)的(de)電(dian)(dian)極(ji)，以(yi)增加參與反(fan)應的(de)電(dian)(dian)極(ji)表(biao)面(mian)積(ji)，而此(ci)也是燃(ran)(ran)料電(dian)(dian)池(chi)當初所(suo)以(yi)能從理論研(yan)究階段步入實用(yong)化階段的(de)重要(yao)關鍵原因(yin)之(zhi)一。

目前高溫(wen)燃料(liao)(liao)(liao)電(dian)池(chi)之電(dian)極(ji)主(zhu)(zhu)要是(shi)(shi)以(yi)觸媒材料(liao)(liao)(liao)制成，例如固(gu)態氧化物燃料(liao)(liao)(liao)電(dian)池(chi)的(de)Y2O3－stabilized－ZrO2及(ji)熔(rong)融碳酸鹽(yan)燃料(liao)(liao)(liao)電(dian)池(chi)的(de)氧化鎳電(dian)極(ji)等，而低溫(wen)燃料(liao)(liao)(liao)電(dian)池(chi)則(ze)主(zhu)(zhu)要是(shi)(shi)由氣(qi)體擴散層(ceng)(ceng)支(zhi)撐一薄層(ceng)(ceng)觸媒材料(liao)(liao)(liao)而構成，例如磷酸燃料(liao)(liao)(liao)電(dian)池(chi)與質(zhi)子交換膜燃料(liao)(liao)(liao)電(dian)池(chi)的(de)白金電(dian)極(ji)等。

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2、電解質隔膜

電解質隔膜(mo)的主(zhu)要功(gong)能在(zai)分隔氧(yang)化劑(ji)與還原劑(ji)，并傳導離子，故電解質隔膜(mo)越薄越好，但亦需顧及強度，就現階段的技術(shu)而言，其一般厚(hou)度約在(zai)數(shu)十毫(hao)米(mi)至(zhi)數(shu)百毫(hao)米(mi)；至(zhi)于材(cai)質，目(mu)前主(zhu)要朝兩個發(fa)展方向(xiang)，其一是(shi)先以石(shi)棉膜(mo)、碳化硅(gui)SiC膜(mo)、鋁酸(suan)(suan)鋰(li)膜(mo)等絕緣材(cai)料制成多孔隔膜(mo)，再浸入(ru)熔融鋰(li)－鉀(jia)碳酸(suan)(suan)鹽、氫氧(yang)化鉀(jia)與磷酸(suan)(suan)等中(zhong)，使其附著在(zai)隔膜(mo)孔內，另一則是(shi)采用(yong)全氟磺酸(suan)(suan)樹脂及YSZ。

3、集電器

集電器又稱作(zuo)雙極板，具(ju)有收集電流(liu)、分隔(ge)氧(yang)化劑與還原劑、疏(shu)導反(fan)應氣體等之功用，集電器的(de)性能主(zhu)要取決于其(qi)材料特性、流(liu)場設計(ji)及(ji)其(qi)加工(gong)技術。

二、燃料電池的優點

1、發電效率高

燃料電(dian)池發(fa)電(dian)不(bu)受卡諾(nuo)循環(huan)的(de)(de)限(xian)制。理(li)論上，它的(de)(de)發(fa)電(dian)效率可達到85%～90%，但由(you)于工(gong)作時各種極(ji)化的(de)(de)限(xian)制，目前燃料電(dian)池的(de)(de)能量轉(zhuan)化效率約為40%～60%。若實(shi)現(xian)熱電(dian)聯供，燃料的(de)(de)總利用(yong)率可高達80%以(yi)上。

2、環境污染小

燃(ran)料電(dian)(dian)池以(yi)(yi)天然氣(qi)等富(fu)氫氣(qi)體(ti)為(wei)燃(ran)料時(shi)，二氧化碳的(de)(de)排放(fang)量比熱機(ji)過程減少40%以(yi)(yi)上，這對(dui)緩(huan)解地(di)球的(de)(de)溫(wen)室效(xiao)應是(shi)十分重(zhong)要(yao)的(de)(de)。另外，由于燃(ran)料電(dian)(dian)池的(de)(de)燃(ran)料氣(qi)在反應前必須脫硫(liu)，而(er)且按電(dian)(dian)化學原理發電(dian)(dian)，沒(mei)有高溫(wen)燃(ran)燒過程，因此幾(ji)乎(hu)不排放(fang)氮和(he)硫(liu)的(de)(de)氧化物，減輕了(le)對(dui)大氣(qi)的(de)(de)污染(ran)。

3、比能量高

液氫燃料(liao)電池的(de)(de)(de)(de)(de)比能(neng)量(liang)(liang)是鎳鎘電池的(de)(de)(de)(de)(de)800倍，直接(jie)甲醇燃料(liao)電池的(de)(de)(de)(de)(de)比能(neng)量(liang)(liang)比鋰(li)離子電池(能(neng)量(liang)(liang)密度(du)最高的(de)(de)(de)(de)(de)充(chong)電電池)高10倍以(yi)上。目前，燃料(liao)電池的(de)(de)(de)(de)(de)實際(ji)比能(neng)量(liang)(liang)盡管只有(you)理論值的(de)(de)(de)(de)(de)10%，但仍比一般電池的(de)(de)(de)(de)(de)實際(ji)比能(neng)量(liang)(liang)高很多。

4、噪音低

燃(ran)料電池(chi)結構(gou)簡單，運動部件少，工作(zuo)時噪聲(sheng)很低(di)。即使在11MW級的(de)燃(ran)料電池(chi)發電廠附近,所測得的(de)噪音也(ye)低(di)于55dB。

5、燃料范圍廣

對于燃(ran)料電(dian)池(chi)(chi)而(er)言，只要含有氫原子的(de)(de)物質(zhi)都可以(yi)作為燃(ran)料，例如天然(ran)氣、石(shi)油(you)、煤(mei)炭等(deng)化石(shi)產物,或是沼氣、酒精、甲醇等(deng)，因此燃(ran)料電(dian)池(chi)(chi)非常符合能(neng)源多樣化的(de)(de)需求，可減緩主流能(neng)源的(de)(de)耗(hao)竭。

6、可靠性高

當燃料電(dian)池的(de)負載有變動時(shi)，它會很快響(xiang)應。無論處于額(e)定(ding)功率以上過載運行或(huo)低(di)于額(e)定(ding)功率運行，它都能承受且效(xiao)率變化(hua)不(bu)大。由于燃料電(dian)池的(de)運行高(gao)度(du)可(ke)靠，可(ke)作為(wei)各(ge)種應急電(dian)源(yuan)和不(bu)間斷電(dian)源(yuan)使用(yong)。

7、易于建設

燃(ran)料電(dian)池具有組裝式(shi)結構，安(an)裝維修(xiu)方便(bian)，不需(xu)要很多(duo)輔助設施。燃(ran)料電(dian)池電(dian)站(zhan)的設計和制造相當(dang)方便(bian)。

三、燃料電池的應用研究

堿性燃料(liao)(liao)電(dian)池(AFC)是(shi)(shi)最早開發(fa)的燃料(liao)(liao)電(dian)池技術，在20世紀60年代(dai)就成(cheng)功的應(ying)用(yong)于(yu)航天(tian)(tian)飛行領域(yu)。磷(lin)酸型(xing)燃料(liao)(liao)電(dian)池也是(shi)(shi)第(di)一代(dai)燃料(liao)(liao)電(dian)池技術，是(shi)(shi)目前(qian)(qian)最為(wei)成(cheng)熟的應(ying)用(yong)技術，已經進入了商業化(hua)應(ying)用(yong)和批量(liang)生產。由于(yu)其(qi)(qi)成(cheng)本(ben)太高，目前(qian)(qian)只能作為(wei)區域(yu)性電(dian)站來現(xian)場供(gong)電(dian)、供(gong)熱。熔(rong)融碳酸型(xing)燃料(liao)(liao)電(dian)池是(shi)(shi)第(di)二代(dai)燃料(liao)(liao)電(dian)池技術,主(zhu)要應(ying)用(yong)于(yu)設備發(fa)電(dian)。固(gu)體(ti)氧化(hua)物(wu)燃料(liao)(liao)電(dian)池以其(qi)(qi)全固(gu)態結(jie)構、更高的能量(liang)效率和對(dui)煤氣(qi)(qi)、天(tian)(tian)然氣(qi)(qi)、混(hun)合氣(qi)(qi)體(ti)等(deng)多種燃料(liao)(liao)氣(qi)(qi)體(ti)廣(guang)泛(fan)適(shi)應(ying)性等(deng)突出特點(dian)，發(fa)展最快，應(ying)用(yong)廣(guang)泛(fan)，成(cheng)為(wei)第(di)三代(dai)燃料(liao)(liao)電(dian)池。

目前正在(zai)開(kai)發(fa)的商用(yong)燃(ran)料(liao)(liao)電池(chi)還(huan)有質子交換膜燃(ran)料(liao)(liao)電池(chi)(PEMFC)。它(ta)具有較(jiao)高的能(neng)量效率和能(neng)量密(mi)度,體積重(zhong)量小，冷(leng)啟動時間短,運行(xing)安(an)全(quan)可(ke)靠。另外，由于(yu)使(shi)用(yong)的電解(jie)(jie)質膜為固態，可(ke)避免電解(jie)(jie)質腐蝕(shi)。燃(ran)料(liao)(liao)電池(chi)技術的研究與開(kai)發(fa)已取得了(le)(le)重(zhong)大進(jin)展，技術逐漸成(cheng)熟，并在(zai)一定程(cheng)度上實現(xian)了(le)(le)商業(ye)(ye)(ye)化。作為21世紀的高科技產品,燃(ran)料(liao)(liao)電池(chi)已應用(yong)于(yu)汽車工業(ye)(ye)(ye)、能(neng)源發(fa)電、船舶工業(ye)(ye)(ye)、航空航天、家用(yong)電源等行(xing)業(ye)(ye)(ye)，受到各國政(zheng)府的重(zhong)視。

我(wo)國(guo)燃(ran)(ran)料(liao)(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)研(yan)(yan)究(jiu)始于20世紀50年(nian)代(dai)(dai)末，70年(nian)代(dai)(dai)國(guo)內的(de)(de)(de)(de)燃(ran)(ran)料(liao)(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)研(yan)(yan)究(jiu)出現了(le)(le)(le)第(di)一(yi)(yi)次高(gao)峰，主要是(shi)國(guo)家(jia)投資的(de)(de)(de)(de)航天用(yong)AFC,如氨(an)/空(kong)氣(qi)燃(ran)(ran)料(liao)(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)、肼/空(kong)氣(qi)燃(ran)(ran)料(liao)(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)、乙二(er)醇/空(kong)氣(qi)燃(ran)(ran)料(liao)(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)等。80年(nian)代(dai)(dai)我(wo)國(guo)燃(ran)(ran)料(liao)(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)研(yan)(yan)究(jiu)處(chu)于低潮，90年(nian)代(dai)(dai)以來(lai)，隨(sui)著國(guo)外燃(ran)(ran)料(liao)(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)技術(shu)取得了(le)(le)(le)重(zhong)(zhong)大(da)進展(zhan)，在(zai)國(guo)內又形成了(le)(le)(le)新一(yi)(yi)輪的(de)(de)(de)(de)燃(ran)(ran)料(liao)(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)研(yan)(yan)究(jiu)熱潮。1996年(nian)召開(kai)的(de)(de)(de)(de)第(di)59次香(xiang)山(shan)科學會議上(shang)專門討論了(le)(le)(le)“燃(ran)(ran)料(liao)(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)的(de)(de)(de)(de)研(yan)(yan)究(jiu)現狀(zhuang)與未來(lai)發(fa)展(zhan)”，鑒于PAFC在(zai)國(guo)外技術(shu)已(yi)成熟并進入商品開(kai)發(fa)階段，我(wo)國(guo)重(zhong)(zhong)點(dian)研(yan)(yan)究(jiu)開(kai)發(fa)PEMFC、MCFC和SOFC。中國(guo)科學院(yuan)將(jiang)燃(ran)(ran)料(liao)(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)技術(shu)列為(wei)“九五”院(yuan)重(zhong)(zhong)大(da)和特(te)別支持項目，國(guo)家(jia)科委(wei)也(ye)相(xiang)繼將(jiang)燃(ran)(ran)料(liao)(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)技術(shu)包(bao)括DAFC列入“九五”、“十五”攻關、“ 863”、“973”等重(zhong)(zhong)大(da)計劃之(zhi)中。燃(ran)(ran)料(liao)(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)的(de)(de)(de)(de)開(kai)發(fa)是(shi)一(yi)(yi)較大(da)的(de)(de)(de)(de)系統(tong)工程，“官、產、研(yan)(yan)”結合(he)是(shi)國(guo)際(ji)上(shang)燃(ran)(ran)料(liao)(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)研(yan)(yan)究(jiu)開(kai)發(fa)的(de)(de)(de)(de)一(yi)(yi)個顯著特(te)點(dian)，也(ye)是(shi)必由之(zhi)路。目前，我(wo)國(guo)政府高(gao)度重(zhong)(zhong)視，研(yan)(yan)究(jiu)單(dan)位眾多(duo)，具有多(duo)年(nian)的(de)(de)(de)(de)人才(cai)儲備和科研(yan)(yan)積累，產業部門的(de)(de)(de)(de)興趣不斷增加，需求(qiu)迫(po)切(qie)，這(zhe)些(xie)都為(wei)我(wo)國(guo)燃(ran)(ran)料(liao)(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)的(de)(de)(de)(de)快速(su)發(fa)展(zhan)帶來(lai)了(le)(le)(le)無限的(de)(de)(de)(de)生機(ji)。

另一(yi)方面，我(wo)國是(shi)一(yi)個(ge)產煤和燃(ran)(ran)煤大國，煤的(de)總消耗量(liang)約占世(shi)界的(de)25%左右，造成(cheng)煤燃(ran)(ran)料的(de)極大浪費和嚴重(zhong)的(de)環境污染。隨著國民經濟(ji)的(de)快速發展和人民生活水平的(de)不斷(duan)提高，我(wo)國汽(qi)車(che)(che)的(de)擁有量(liang)(包(bao)括私人汽(qi)車(che)(che))迅猛增(zeng)長，致(zhi)使燃(ran)(ran)油的(de)汽(qi)車(che)(che)越來越成(cheng)為(wei)重(zhong)要(yao)的(de)污染源。所以開發燃(ran)(ran)料電池這種潔凈(jing)能源技術就(jiu)顯得極其(qi)重(zhong)要(yao)，這也是(shi)高效(xiao)、合(he)理使用資源和保護環境的(de)一(yi)個(ge)重(zhong)要(yao)途徑。