一、燃料電池的組成結構

1、電極

燃(ran)料電(dian)(dian)池的(de)電(dian)(dian)極(ji)是燃(ran)料發(fa)生氧(yang)化(hua)反(fan)應與氧(yang)化(hua)劑發(fa)生還原(yuan)反(fan)應的(de)電(dian)(dian)化(hua)學反(fan)應場所，其(qi)性(xing)能的(de)好(hao)壞(huai)關鍵在(zai)于(yu)觸(chu)媒的(de)性(xing)能、電(dian)(dian)極(ji)的(de)材料與電(dian)(dian)極(ji)的(de)制程等。

電(dian)極(ji)(ji)主要(yao)(yao)(yao)可分為(wei)(wei)兩部分，其一(yi)為(wei)(wei)陽(yang)極(ji)(ji)，另一(yi)為(wei)(wei)陰(yin)極(ji)(ji)，厚度一(yi)般為(wei)(wei)200－500mm；其結構(gou)與(yu)一(yi)般電(dian)池(chi)之(zhi)(zhi)平板電(dian)極(ji)(ji)不同之(zhi)(zhi)處，在于燃(ran)(ran)料(liao)電(dian)池(chi)的(de)(de)電(dian)極(ji)(ji)為(wei)(wei)多(duo)(duo)孔結構(gou)，所(suo)以設計(ji)成多(duo)(duo)孔結構(gou)的(de)(de)主要(yao)(yao)(yao)原(yuan)因是(shi)燃(ran)(ran)料(liao)電(dian)池(chi)所(suo)使用(yong)的(de)(de)燃(ran)(ran)料(liao)及氧(yang)(yang)化劑(ji)大多(duo)(duo)為(wei)(wei)氣(qi)(qi)體（例如氧(yang)(yang)氣(qi)(qi)、氫氣(qi)(qi)等），而(er)氣(qi)(qi)體在電(dian)解質(zhi)中的(de)(de)溶解度并不高(gao)，為(wei)(wei)了(le)提高(gao)燃(ran)(ran)料(liao)電(dian)池(chi)的(de)(de)實際工作(zuo)電(dian)流密度與(yu)降低極(ji)(ji)化作(zuo)用(yong)，故發(fa)展出多(duo)(duo)孔結構(gou)的(de)(de)的(de)(de)電(dian)極(ji)(ji)，以增加(jia)參與(yu)反應的(de)(de)電(dian)極(ji)(ji)表(biao)面積，而(er)此(ci)也是(shi)燃(ran)(ran)料(liao)電(dian)池(chi)當初所(suo)以能從理論研究階(jie)(jie)段步入實用(yong)化階(jie)(jie)段的(de)(de)重(zhong)要(yao)(yao)(yao)關鍵(jian)原(yuan)因之(zhi)(zhi)一(yi)。

目(mu)前高溫燃(ran)料(liao)(liao)(liao)電(dian)池之電(dian)極主要(yao)(yao)是以觸(chu)(chu)媒材(cai)料(liao)(liao)(liao)制成，例如(ru)(ru)固(gu)態氧(yang)化物燃(ran)料(liao)(liao)(liao)電(dian)池的(de)(de)Y2O3－stabilized－ZrO2及熔融(rong)碳酸鹽燃(ran)料(liao)(liao)(liao)電(dian)池的(de)(de)氧(yang)化鎳電(dian)極等，而(er)低溫燃(ran)料(liao)(liao)(liao)電(dian)池則主要(yao)(yao)是由(you)氣(qi)體擴散層(ceng)支撐一(yi)薄層(ceng)觸(chu)(chu)媒材(cai)料(liao)(liao)(liao)而(er)構成，例如(ru)(ru)磷酸燃(ran)料(liao)(liao)(liao)電(dian)池與質子(zi)交換膜(mo)燃(ran)料(liao)(liao)(liao)電(dian)池的(de)(de)白金電(dian)極等。

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2、電解質隔膜

電解質隔(ge)膜(mo)(mo)(mo)的主要功能在(zai)分(fen)隔(ge)氧化(hua)(hua)劑(ji)與(yu)還原劑(ji)，并傳導離(li)子，故電解質隔(ge)膜(mo)(mo)(mo)越(yue)薄(bo)越(yue)好，但亦(yi)需顧及強度，就現階(jie)段的技術而(er)言，其(qi)一般厚(hou)度約(yue)在(zai)數十毫米至數百毫米；至于材質，目前主要朝兩個發展方(fang)向，其(qi)一是(shi)先(xian)以石棉(mian)膜(mo)(mo)(mo)、碳(tan)化(hua)(hua)硅SiC膜(mo)(mo)(mo)、鋁(lv)酸(suan)鋰(li)膜(mo)(mo)(mo)等(deng)絕緣材料制(zhi)成多(duo)孔隔(ge)膜(mo)(mo)(mo)，再浸入熔(rong)融鋰(li)－鉀碳(tan)酸(suan)鹽、氫氧化(hua)(hua)鉀與(yu)磷酸(suan)等(deng)中，使其(qi)附著在(zai)隔(ge)膜(mo)(mo)(mo)孔內，另一則(ze)是(shi)采(cai)用全氟(fu)磺酸(suan)樹脂及YSZ。

3、集電器

集(ji)(ji)電器又稱作雙極板，具有收集(ji)(ji)電流(liu)(liu)、分(fen)隔氧化劑(ji)與還原劑(ji)、疏導反(fan)應(ying)氣體(ti)等之功用，集(ji)(ji)電器的性能主要(yao)取決于其(qi)材料(liao)特性、流(liu)(liu)場設計及其(qi)加工技術。

二、燃料電池的優點

1、發電效率高

燃(ran)料(liao)電(dian)池發(fa)電(dian)不受卡諾循環的(de)限(xian)制(zhi)。理論上，它的(de)發(fa)電(dian)效率(lv)(lv)可(ke)達(da)到85%～90%，但(dan)由于工作時各(ge)種極化的(de)限(xian)制(zhi)，目前燃(ran)料(liao)電(dian)池的(de)能量轉化效率(lv)(lv)約為40%～60%。若實(shi)現熱電(dian)聯供，燃(ran)料(liao)的(de)總利用率(lv)(lv)可(ke)高達(da)80%以上。

2、環境污染小

燃(ran)料(liao)電池(chi)以天然氣(qi)(qi)等富氫氣(qi)(qi)體為(wei)燃(ran)料(liao)時，二氧(yang)(yang)化碳的(de)排放量比(bi)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(shi)十分重(zhong)要的(de)。另(ling)外(wai)，由于燃(ran)料(liao)電池(chi)的(de)燃(ran)料(liao)氣(qi)(qi)在反應(ying)前必(bi)須脫(tuo)硫，而且按(an)電化學原理發電，沒有高溫燃(ran)燒過程，因此幾乎不排放氮和硫的(de)氧(yang)(yang)化物，減(jian)輕(qing)了對(dui)大氣(qi)(qi)的(de)污染。

3、比能量高

液氫燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)(chi)的(de)(de)比能(neng)量(liang)是鎳鎘電(dian)池(chi)(chi)的(de)(de)800倍，直(zhi)接(jie)甲(jia)醇燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)(chi)的(de)(de)比能(neng)量(liang)比鋰(li)離子電(dian)池(chi)(chi)(能(neng)量(liang)密度最高(gao)的(de)(de)充(chong)電(dian)電(dian)池(chi)(chi))高(gao)10倍以上。目前，燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)(chi)的(de)(de)實際比能(neng)量(liang)盡(jin)管(guan)只有理論值的(de)(de)10%，但仍比一般電(dian)池(chi)(chi)的(de)(de)實際比能(neng)量(liang)高(gao)很(hen)多。

4、噪音低

燃料(liao)電池(chi)結構(gou)簡單，運動部件少，工作時(shi)噪聲很低(di)。即使在11MW級(ji)的(de)燃料(liao)電池(chi)發電廠附近,所測(ce)得的(de)噪音也低(di)于55dB。

5、燃料范圍廣

對于燃料(liao)電(dian)(dian)池而言，只要含(han)有氫(qing)原(yuan)子的(de)(de)物(wu)質(zhi)都可以(yi)作為燃料(liao)，例如天然(ran)氣(qi)、石油、煤炭(tan)等化石產物(wu),或是沼氣(qi)、酒精、甲醇等，因(yin)此燃料(liao)電(dian)(dian)池非常符合能(neng)源(yuan)多樣化的(de)(de)需求，可減緩主流能(neng)源(yuan)的(de)(de)耗竭。

6、可靠性高

當(dang)燃料(liao)電(dian)池(chi)的負載(zai)有變動時(shi)，它會很快響應(ying)。無(wu)論處(chu)于額定功率(lv)以(yi)上過載(zai)運行或低于額定功率(lv)運行，它都能(neng)承受且(qie)效率(lv)變化不大(da)。由于燃料(liao)電(dian)池(chi)的運行高度可(ke)靠，可(ke)作(zuo)為各種應(ying)急電(dian)源和(he)不間斷電(dian)源使用(yong)。

7、易于建設

燃料(liao)電池具有(you)組(zu)裝式結(jie)構，安裝維修方便，不需要(yao)很多輔助設施。燃料(liao)電池電站的(de)設計和制造相當(dang)方便。

三、燃料電池的應用研究

堿性(xing)(xing)燃(ran)(ran)料電(dian)(dian)池(chi)(chi)(AFC)是(shi)最(zui)早(zao)開發的(de)燃(ran)(ran)料電(dian)(dian)池(chi)(chi)技術(shu)(shu)(shu)，在20世(shi)紀(ji)60年代(dai)(dai)就成(cheng)(cheng)(cheng)功的(de)應(ying)用于航天飛行領域(yu)。磷酸(suan)型(xing)燃(ran)(ran)料電(dian)(dian)池(chi)(chi)也是(shi)第一代(dai)(dai)燃(ran)(ran)料電(dian)(dian)池(chi)(chi)技術(shu)(shu)(shu)，是(shi)目前最(zui)為成(cheng)(cheng)(cheng)熟的(de)應(ying)用技術(shu)(shu)(shu)，已經(jing)進(jin)入了商業化應(ying)用和批(pi)量生產。由于其(qi)成(cheng)(cheng)(cheng)本太(tai)高，目前只能作為區域(yu)性(xing)(xing)電(dian)(dian)站來現場供(gong)電(dian)(dian)、供(gong)熱。熔融碳酸(suan)型(xing)燃(ran)(ran)料電(dian)(dian)池(chi)(chi)是(shi)第二(er)代(dai)(dai)燃(ran)(ran)料電(dian)(dian)池(chi)(chi)技術(shu)(shu)(shu),主要應(ying)用于設(she)備發電(dian)(dian)。固體(ti)氧化物燃(ran)(ran)料電(dian)(dian)池(chi)(chi)以其(qi)全固態結構、更高的(de)能量效(xiao)率和對煤(mei)氣(qi)、天然氣(qi)、混合氣(qi)體(ti)等(deng)多種燃(ran)(ran)料氣(qi)體(ti)廣泛(fan)(fan)適應(ying)性(xing)(xing)等(deng)突出特點(dian)，發展最(zui)快，應(ying)用廣泛(fan)(fan)，成(cheng)(cheng)(cheng)為第三代(dai)(dai)燃(ran)(ran)料電(dian)(dian)池(chi)(chi)。

目前(qian)正在(zai)開(kai)發的商用(yong)燃料電(dian)(dian)池還有(you)質(zhi)(zhi)子交換膜燃料電(dian)(dian)池(PEMFC)。它(ta)具有(you)較高的能量效率和能量密度(du),體積重量小，冷啟動時間短,運行(xing)安全(quan)可(ke)靠。另外，由于使用(yong)的電(dian)(dian)解(jie)(jie)質(zhi)(zhi)膜為固態，可(ke)避免(mian)電(dian)(dian)解(jie)(jie)質(zhi)(zhi)腐(fu)蝕。燃料電(dian)(dian)池技術的研究與開(kai)發已取得了重大進展，技術逐漸成熟，并在(zai)一(yi)定程度(du)上實現了商業(ye)化。作為21世紀的高科技產品,燃料電(dian)(dian)池已應用(yong)于汽車工業(ye)、能源發電(dian)(dian)、船舶(bo)工業(ye)、航空(kong)航天、家用(yong)電(dian)(dian)源等(deng)行(xing)業(ye)，受到各國政(zheng)府的重視。

我(wo)國(guo)(guo)(guo)(guo)(guo)燃料(liao)(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)池研(yan)(yan)(yan)(yan)究始于20世紀50年代(dai)末(mo)，70年代(dai)國(guo)(guo)(guo)(guo)(guo)內的(de)(de)(de)(de)燃料(liao)(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)池研(yan)(yan)(yan)(yan)究出(chu)現了(le)第一(yi)(yi)次高(gao)峰，主(zhu)要是(shi)(shi)(shi)國(guo)(guo)(guo)(guo)(guo)家投資的(de)(de)(de)(de)航天用AFC,如氨/空(kong)氣燃料(liao)(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)池、肼/空(kong)氣燃料(liao)(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)池、乙二醇/空(kong)氣燃料(liao)(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)池等。80年代(dai)我(wo)國(guo)(guo)(guo)(guo)(guo)燃料(liao)(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)池研(yan)(yan)(yan)(yan)究處于低潮(chao)，90年代(dai)以(yi)來，隨著國(guo)(guo)(guo)(guo)(guo)外燃料(liao)(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)池技術(shu)取得了(le)重(zhong)(zhong)(zhong)大進展，在國(guo)(guo)(guo)(guo)(guo)內又(you)形成了(le)新一(yi)(yi)輪(lun)的(de)(de)(de)(de)燃料(liao)(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)池研(yan)(yan)(yan)(yan)究熱潮(chao)。1996年召(zhao)開(kai)的(de)(de)(de)(de)第59次香山(shan)科學會議上(shang)(shang)專門討論了(le)“燃料(liao)(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)池的(de)(de)(de)(de)研(yan)(yan)(yan)(yan)究現狀(zhuang)與(yu)未來發(fa)展”，鑒于PAFC在國(guo)(guo)(guo)(guo)(guo)外技術(shu)已成熟(shu)并進入商品(pin)開(kai)發(fa)階段，我(wo)國(guo)(guo)(guo)(guo)(guo)重(zhong)(zhong)(zhong)點研(yan)(yan)(yan)(yan)究開(kai)發(fa)PEMFC、MCFC和(he)SOFC。中(zhong)國(guo)(guo)(guo)(guo)(guo)科學院(yuan)將燃料(liao)(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)池技術(shu)列(lie)為“九五”院(yuan)重(zhong)(zhong)(zhong)大和(he)特(te)別支持項目(mu)，國(guo)(guo)(guo)(guo)(guo)家科委也相繼將燃料(liao)(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)池技術(shu)包(bao)括(kuo)DAFC列(lie)入“九五”、“十五”攻關、“ 863”、“973”等重(zhong)(zhong)(zhong)大計劃之(zhi)中(zhong)。燃料(liao)(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)池的(de)(de)(de)(de)開(kai)發(fa)是(shi)(shi)(shi)一(yi)(yi)較大的(de)(de)(de)(de)系統工程，“官、產、研(yan)(yan)(yan)(yan)”結合是(shi)(shi)(shi)國(guo)(guo)(guo)(guo)(guo)際上(shang)(shang)燃料(liao)(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)池研(yan)(yan)(yan)(yan)究開(kai)發(fa)的(de)(de)(de)(de)一(yi)(yi)個顯著特(te)點，也是(shi)(shi)(shi)必由之(zhi)路。目(mu)前，我(wo)國(guo)(guo)(guo)(guo)(guo)政(zheng)府(fu)高(gao)度(du)重(zhong)(zhong)(zhong)視，研(yan)(yan)(yan)(yan)究單位眾多(duo)，具有多(duo)年的(de)(de)(de)(de)人才儲(chu)備和(he)科研(yan)(yan)(yan)(yan)積累，產業部門的(de)(de)(de)(de)興趣不(bu)斷增加，需求迫切，這些都為我(wo)國(guo)(guo)(guo)(guo)(guo)燃料(liao)(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)池的(de)(de)(de)(de)快速發(fa)展帶來了(le)無限(xian)的(de)(de)(de)(de)生機(ji)。

另一方面，我(wo)國(guo)是(shi)一個產(chan)煤(mei)和(he)(he)燃(ran)煤(mei)大國(guo)，煤(mei)的(de)(de)總消(xiao)耗量(liang)約(yue)占世(shi)界的(de)(de)25%左右，造成煤(mei)燃(ran)料的(de)(de)極(ji)(ji)大浪費和(he)(he)嚴重的(de)(de)環(huan)境(jing)污染。隨著國(guo)民(min)經濟的(de)(de)快速發(fa)展和(he)(he)人民(min)生活水平的(de)(de)不(bu)斷提高，我(wo)國(guo)汽(qi)(qi)車的(de)(de)擁有量(liang)(包括私人汽(qi)(qi)車)迅猛增長，致使(shi)燃(ran)油(you)的(de)(de)汽(qi)(qi)車越來越成為重要的(de)(de)污染源(yuan)。所以(yi)開發(fa)燃(ran)料電池這種潔(jie)凈能(neng)源(yuan)技術(shu)就顯得極(ji)(ji)其重要，這也是(shi)高效、合理(li)使(shi)用資(zi)源(yuan)和(he)(he)保護環(huan)境(jing)的(de)(de)一個重要途徑。