一、燃料電池的組成結構

1、電極

燃料電(dian)池的(de)(de)電(dian)極是燃料發生氧(yang)化反(fan)(fan)應(ying)與(yu)(yu)氧(yang)化劑(ji)發生還原反(fan)(fan)應(ying)的(de)(de)電(dian)化學(xue)反(fan)(fan)應(ying)場所(suo)，其性(xing)(xing)能的(de)(de)好壞關鍵在于(yu)觸媒的(de)(de)性(xing)(xing)能、電(dian)極的(de)(de)材料與(yu)(yu)電(dian)極的(de)(de)制程(cheng)等(deng)。

電(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)(ji)主要(yao)(yao)可分為(wei)兩部分，其一(yi)為(wei)陽極(ji)(ji)(ji)，另一(yi)為(wei)陰(yin)極(ji)(ji)(ji)，厚度(du)一(yi)般為(wei)200－500mm；其結構(gou)(gou)與(yu)(yu)一(yi)般電(dian)(dian)(dian)池(chi)之(zhi)平板電(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)(ji)不同之(zhi)處，在于燃料電(dian)(dian)(dian)池(chi)的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)(ji)為(wei)多孔結構(gou)(gou)，所(suo)以(yi)設計成多孔結構(gou)(gou)的(de)(de)(de)主要(yao)(yao)原(yuan)因是(shi)燃料電(dian)(dian)(dian)池(chi)所(suo)使用(yong)的(de)(de)(de)燃料及氧化(hua)劑(ji)大多為(wei)氣(qi)(qi)體（例如氧氣(qi)(qi)、氫氣(qi)(qi)等），而氣(qi)(qi)體在電(dian)(dian)(dian)解(jie)質中的(de)(de)(de)溶(rong)解(jie)度(du)并(bing)不高，為(wei)了(le)提高燃料電(dian)(dian)(dian)池(chi)的(de)(de)(de)實(shi)際(ji)工(gong)作電(dian)(dian)(dian)流(liu)密度(du)與(yu)(yu)降低(di)極(ji)(ji)(ji)化(hua)作用(yong)，故發展出多孔結構(gou)(gou)的(de)(de)(de)的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)(ji)，以(yi)增(zeng)加參與(yu)(yu)反應的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)(ji)表面積，而此也是(shi)燃料電(dian)(dian)(dian)池(chi)當初所(suo)以(yi)能從理論研(yan)究(jiu)階段步入實(shi)用(yong)化(hua)階段的(de)(de)(de)重要(yao)(yao)關鍵原(yuan)因之(zhi)一(yi)。

目前高溫燃(ran)(ran)料(liao)(liao)電(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)之電(dian)(dian)極主要是以觸媒材(cai)料(liao)(liao)制成，例如(ru)(ru)固態氧化(hua)物燃(ran)(ran)料(liao)(liao)電(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)的Y2O3－stabilized－ZrO2及熔(rong)融(rong)碳酸(suan)(suan)鹽燃(ran)(ran)料(liao)(liao)電(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)的氧化(hua)鎳電(dian)(dian)極等，而低溫燃(ran)(ran)料(liao)(liao)電(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)則主要是由氣體(ti)擴散層支撐一薄層觸媒材(cai)料(liao)(liao)而構成，例如(ru)(ru)磷酸(suan)(suan)燃(ran)(ran)料(liao)(liao)電(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)與(yu)質子交換(huan)膜燃(ran)(ran)料(liao)(liao)電(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)的白金電(dian)(dian)極等。

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2、電解質隔膜

電(dian)解(jie)(jie)質隔(ge)(ge)膜(mo)的主要功能在分(fen)隔(ge)(ge)氧化劑(ji)與還原劑(ji)，并傳導離子(zi)，故電(dian)解(jie)(jie)質隔(ge)(ge)膜(mo)越薄越好，但亦(yi)需顧及(ji)強(qiang)度，就(jiu)現階段(duan)的技術(shu)而言，其一般厚度約(yue)在數(shu)十毫米至數(shu)百毫米；至于材質，目前主要朝兩個發展(zhan)方向，其一是(shi)先以石(shi)棉(mian)膜(mo)、碳化硅(gui)SiC膜(mo)、鋁酸(suan)(suan)鋰膜(mo)等(deng)絕緣材料制成多(duo)孔隔(ge)(ge)膜(mo)，再浸入熔(rong)融(rong)鋰－鉀碳酸(suan)(suan)鹽(yan)、氫氧化鉀與磷酸(suan)(suan)等(deng)中，使其附著(zhu)在隔(ge)(ge)膜(mo)孔內，另一則是(shi)采用全氟(fu)磺(huang)酸(suan)(suan)樹脂及(ji)YSZ。

3、集電器

集電(dian)器(qi)(qi)又(you)稱作雙極板(ban)，具有收(shou)集電(dian)流(liu)、分隔氧化劑與(yu)還原劑、疏導反(fan)應氣體等之功用，集電(dian)器(qi)(qi)的性能主要取決于(yu)其材(cai)料特性、流(liu)場設計及其加工技(ji)術。

二、燃料電池的優點

1、發電效率高

燃料電(dian)池發電(dian)不受卡諾循環的(de)(de)(de)限制(zhi)。理論上(shang)，它(ta)的(de)(de)(de)發電(dian)效率(lv)可(ke)達到85%～90%，但由于工作(zuo)時各種極化的(de)(de)(de)限制(zhi)，目前燃料電(dian)池的(de)(de)(de)能量轉化效率(lv)約(yue)為40%～60%。若實現熱電(dian)聯供(gong)，燃料的(de)(de)(de)總利用率(lv)可(ke)高達80%以上(shang)。

2、環境污染小

燃(ran)(ran)(ran)料電(dian)池以天然(ran)氣(qi)等富氫氣(qi)體為燃(ran)(ran)(ran)料時，二氧化碳的排放(fang)量(liang)比(bi)熱機過程(cheng)減少40%以上，這對(dui)緩解地球(qiu)的溫室效(xiao)應(ying)是十(shi)分重要的。另外，由(you)于燃(ran)(ran)(ran)料電(dian)池的燃(ran)(ran)(ran)料氣(qi)在反應(ying)前必須脫(tuo)硫，而且按電(dian)化學原理發電(dian)，沒(mei)有高溫燃(ran)(ran)(ran)燒(shao)過程(cheng)，因此(ci)幾乎不(bu)排放(fang)氮和硫的氧化物，減輕了對(dui)大(da)氣(qi)的污染(ran)。

3、比能量高

液氫燃料(liao)電(dian)(dian)池的(de)(de)(de)比能(neng)量(liang)(liang)是鎳鎘電(dian)(dian)池的(de)(de)(de)800倍，直接(jie)甲醇燃料(liao)電(dian)(dian)池的(de)(de)(de)比能(neng)量(liang)(liang)比鋰離子電(dian)(dian)池(能(neng)量(liang)(liang)密度最高的(de)(de)(de)充電(dian)(dian)電(dian)(dian)池)高10倍以上。目前，燃料(liao)電(dian)(dian)池的(de)(de)(de)實際比能(neng)量(liang)(liang)盡管(guan)只有(you)理論值(zhi)的(de)(de)(de)10%，但仍比一般(ban)電(dian)(dian)池的(de)(de)(de)實際比能(neng)量(liang)(liang)高很多。

4、噪音低

燃(ran)(ran)料(liao)電池結(jie)構簡單(dan)，運動部件少，工作時噪(zao)聲很低。即使在11MW級的燃(ran)(ran)料(liao)電池發(fa)電廠附近,所測得(de)的噪(zao)音也低于55dB。

5、燃料范圍廣

對于燃(ran)料(liao)電(dian)池而言，只(zhi)要含有氫原子的物(wu)質都可以作為燃(ran)料(liao)，例如(ru)天然(ran)氣、石油(you)、煤(mei)炭(tan)等化石產物(wu),或(huo)是(shi)沼氣、酒(jiu)精、甲醇等，因此燃(ran)料(liao)電(dian)池非常符合能源(yuan)多樣化的需求，可減(jian)緩主(zhu)流能源(yuan)的耗竭。

6、可靠性高

當(dang)燃(ran)料電(dian)池(chi)的負載有變(bian)動時(shi)，它會很快響應。無論(lun)處于額定功率(lv)以上過載運行或(huo)低于額定功率(lv)運行，它都能(neng)承受且效率(lv)變(bian)化(hua)不大。由于燃(ran)料電(dian)池(chi)的運行高度可靠，可作為(wei)各(ge)種應急電(dian)源(yuan)和(he)不間斷(duan)電(dian)源(yuan)使用。

7、易于建設

燃(ran)料電池具有組裝式結構，安裝維修方便，不需要很多輔助設(she)(she)施。燃(ran)料電池電站的設(she)(she)計和(he)制造相當方便。

三、燃料電池的應用研究

堿(jian)性燃(ran)(ran)(ran)(ran)料(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)(AFC)是最早開發的(de)(de)燃(ran)(ran)(ran)(ran)料(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)技術，在20世紀60年(nian)代就(jiu)成功的(de)(de)應(ying)用(yong)于航天飛(fei)行領域(yu)。磷酸(suan)型(xing)燃(ran)(ran)(ran)(ran)料(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)也是第(di)一代燃(ran)(ran)(ran)(ran)料(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)技術，是目前最為(wei)成熟的(de)(de)應(ying)用(yong)技術，已經進(jin)入了商(shang)業化應(ying)用(yong)和批量生產。由于其成本太(tai)高(gao)，目前只能(neng)作為(wei)區域(yu)性電(dian)(dian)(dian)(dian)站(zhan)來現場供電(dian)(dian)(dian)(dian)、供熱。熔融碳酸(suan)型(xing)燃(ran)(ran)(ran)(ran)料(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)是第(di)二(er)代燃(ran)(ran)(ran)(ran)料(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)技術,主要(yao)應(ying)用(yong)于設備發電(dian)(dian)(dian)(dian)。固(gu)體氧化物燃(ran)(ran)(ran)(ran)料(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)以其全(quan)固(gu)態結(jie)構、更(geng)高(gao)的(de)(de)能(neng)量效率和對煤氣(qi)(qi)、天然氣(qi)(qi)、混合氣(qi)(qi)體等多種(zhong)燃(ran)(ran)(ran)(ran)料(liao)(liao)氣(qi)(qi)體廣泛適應(ying)性等突出(chu)特點，發展最快(kuai)，應(ying)用(yong)廣泛，成為(wei)第(di)三代燃(ran)(ran)(ran)(ran)料(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)。

目前正在開(kai)發的(de)(de)商用燃(ran)料(liao)(liao)電(dian)(dian)池還有質子交換膜燃(ran)料(liao)(liao)電(dian)(dian)池(PEMFC)。它具有較高(gao)的(de)(de)能量(liang)效率和能量(liang)密度,體積(ji)重(zhong)量(liang)小，冷啟動時間短,運行(xing)安全可靠。另外，由于(yu)使用的(de)(de)電(dian)(dian)解質膜為(wei)固態，可避免電(dian)(dian)解質腐(fu)蝕(shi)。燃(ran)料(liao)(liao)電(dian)(dian)池技術的(de)(de)研究與開(kai)發已(yi)取得(de)了(le)重(zhong)大(da)進(jin)展，技術逐(zhu)漸成熟，并在一定程度上實現了(le)商業化。作(zuo)為(wei)21世(shi)紀的(de)(de)高(gao)科技產(chan)品,燃(ran)料(liao)(liao)電(dian)(dian)池已(yi)應用于(yu)汽車工業、能源(yuan)(yuan)發電(dian)(dian)、船舶工業、航(hang)空航(hang)天、家(jia)用電(dian)(dian)源(yuan)(yuan)等行(xing)業，受到各國(guo)政府(fu)的(de)(de)重(zhong)視。

我(wo)國(guo)(guo)燃(ran)(ran)(ran)(ran)料(liao)(liao)電(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)(jiu)始(shi)于(yu)20世紀50年代(dai)末，70年代(dai)國(guo)(guo)內的(de)燃(ran)(ran)(ran)(ran)料(liao)(liao)電(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)(jiu)出現了(le)第(di)一(yi)(yi)次高峰，主要是國(guo)(guo)家投(tou)資的(de)航(hang)天(tian)用AFC,如(ru)氨/空(kong)(kong)氣燃(ran)(ran)(ran)(ran)料(liao)(liao)電(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)、肼/空(kong)(kong)氣燃(ran)(ran)(ran)(ran)料(liao)(liao)電(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)、乙二醇/空(kong)(kong)氣燃(ran)(ran)(ran)(ran)料(liao)(liao)電(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)等。80年代(dai)我(wo)國(guo)(guo)燃(ran)(ran)(ran)(ran)料(liao)(liao)電(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)(jiu)處(chu)于(yu)低潮，90年代(dai)以(yi)來(lai)，隨著(zhu)國(guo)(guo)外(wai)燃(ran)(ran)(ran)(ran)料(liao)(liao)電(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)技術取得了(le)重(zhong)大進展，在(zai)(zai)國(guo)(guo)內又形成(cheng)了(le)新(xin)一(yi)(yi)輪的(de)燃(ran)(ran)(ran)(ran)料(liao)(liao)電(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)(jiu)熱潮。1996年召開的(de)第(di)59次香山科(ke)(ke)學(xue)會議上專門(men)討論了(le)“燃(ran)(ran)(ran)(ran)料(liao)(liao)電(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)的(de)研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)(jiu)現狀與未來(lai)發展”，鑒于(yu)PAFC在(zai)(zai)國(guo)(guo)外(wai)技術已成(cheng)熟(shu)并進入(ru)商(shang)品開發階段，我(wo)國(guo)(guo)重(zhong)點研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)(jiu)開發PEMFC、MCFC和SOFC。中國(guo)(guo)科(ke)(ke)學(xue)院(yuan)將(jiang)燃(ran)(ran)(ran)(ran)料(liao)(liao)電(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)技術列為“九五(wu)(wu)”院(yuan)重(zhong)大和特(te)別支持項(xiang)目(mu)，國(guo)(guo)家科(ke)(ke)委也相繼將(jiang)燃(ran)(ran)(ran)(ran)料(liao)(liao)電(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)技術包(bao)括DAFC列入(ru)“九五(wu)(wu)”、“十五(wu)(wu)”攻關、“ 863”、“973”等重(zhong)大計劃之中。燃(ran)(ran)(ran)(ran)料(liao)(liao)電(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)的(de)開發是一(yi)(yi)較大的(de)系統(tong)工程，“官、產、研(yan)(yan)”結(jie)合是國(guo)(guo)際上燃(ran)(ran)(ran)(ran)料(liao)(liao)電(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)(jiu)開發的(de)一(yi)(yi)個顯著(zhu)特(te)點，也是必由之路。目(mu)前，我(wo)國(guo)(guo)政府(fu)高度重(zhong)視，研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)(jiu)單位眾(zhong)多，具有多年的(de)人才儲備和科(ke)(ke)研(yan)(yan)積累，產業部門(men)的(de)興(xing)趣不斷增加(jia)，需(xu)求迫切，這些都為我(wo)國(guo)(guo)燃(ran)(ran)(ran)(ran)料(liao)(liao)電(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)的(de)快速發展帶(dai)來(lai)了(le)無(wu)限(xian)的(de)生機。

另一(yi)(yi)方面，我(wo)國是(shi)一(yi)(yi)個產煤和燃(ran)煤大(da)國，煤的(de)總消耗量約占世界的(de)25%左右(you)，造成煤燃(ran)料(liao)的(de)極大(da)浪費(fei)和嚴(yan)重的(de)環境污(wu)染。隨著國民(min)經濟(ji)的(de)快(kuai)速發展(zhan)和人民(min)生活水(shui)平的(de)不(bu)斷提(ti)高，我(wo)國汽車的(de)擁有量(包括私人汽車)迅(xun)猛增(zeng)長(chang)，致使(shi)(shi)燃(ran)油的(de)汽車越來越成為重要(yao)(yao)的(de)污(wu)染源(yuan)。所以開發燃(ran)料(liao)電池這(zhe)種潔凈能(neng)源(yuan)技術(shu)就顯得極其重要(yao)(yao)，這(zhe)也是(shi)高效(xiao)、合(he)理使(shi)(shi)用資(zi)源(yuan)和保護環境的(de)一(yi)(yi)個重要(yao)(yao)途徑。