一、燃料電池的組成結構

1、電極

燃(ran)(ran)料電(dian)池的(de)(de)(de)電(dian)極是燃(ran)(ran)料發生氧化(hua)(hua)反應(ying)與(yu)氧化(hua)(hua)劑發生還原(yuan)反應(ying)的(de)(de)(de)電(dian)化(hua)(hua)學反應(ying)場所，其性(xing)(xing)能(neng)的(de)(de)(de)好壞關鍵在(zai)于(yu)觸媒的(de)(de)(de)性(xing)(xing)能(neng)、電(dian)極的(de)(de)(de)材(cai)料與(yu)電(dian)極的(de)(de)(de)制程等。

電(dian)極(ji)(ji)(ji)主要可分為(wei)(wei)(wei)兩部(bu)分，其(qi)一為(wei)(wei)(wei)陽(yang)極(ji)(ji)(ji)，另一為(wei)(wei)(wei)陰極(ji)(ji)(ji)，厚度(du)一般為(wei)(wei)(wei)200－500mm；其(qi)結構(gou)與(yu)(yu)一般電(dian)池之平(ping)板電(dian)極(ji)(ji)(ji)不同之處，在(zai)于燃料(liao)(liao)電(dian)池的(de)(de)(de)(de)電(dian)極(ji)(ji)(ji)為(wei)(wei)(wei)多(duo)孔結構(gou)，所以設(she)計(ji)成(cheng)多(duo)孔結構(gou)的(de)(de)(de)(de)主要原(yuan)因是(shi)燃料(liao)(liao)電(dian)池所使用(yong)的(de)(de)(de)(de)燃料(liao)(liao)及氧化劑大多(duo)為(wei)(wei)(wei)氣體(ti)（例如氧氣、氫氣等），而(er)氣體(ti)在(zai)電(dian)解質中的(de)(de)(de)(de)溶解度(du)并不高(gao)，為(wei)(wei)(wei)了提(ti)高(gao)燃料(liao)(liao)電(dian)池的(de)(de)(de)(de)實際工作(zuo)電(dian)流密度(du)與(yu)(yu)降低極(ji)(ji)(ji)化作(zuo)用(yong)，故發(fa)展出多(duo)孔結構(gou)的(de)(de)(de)(de)的(de)(de)(de)(de)電(dian)極(ji)(ji)(ji)，以增加參與(yu)(yu)反應(ying)的(de)(de)(de)(de)電(dian)極(ji)(ji)(ji)表面(mian)積，而(er)此(ci)也是(shi)燃料(liao)(liao)電(dian)池當(dang)初所以能從(cong)理論研究階段步(bu)入(ru)實用(yong)化階段的(de)(de)(de)(de)重要關(guan)鍵原(yuan)因之一。

目(mu)前(qian)高溫燃料電池之電極(ji)(ji)主要是以觸媒材(cai)料制成，例(li)如(ru)固態氧(yang)(yang)化(hua)(hua)物燃料電池的Y2O3－stabilized－ZrO2及熔(rong)融碳(tan)酸(suan)鹽燃料電池的氧(yang)(yang)化(hua)(hua)鎳(nie)電極(ji)(ji)等(deng)，而低溫燃料電池則(ze)主要是由氣(qi)體擴(kuo)散(san)層支撐一薄層觸媒材(cai)料而構成，例(li)如(ru)磷酸(suan)燃料電池與質子(zi)交換膜燃料電池的白金電極(ji)(ji)等(deng)。

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2、電解質隔膜

電解質隔(ge)膜(mo)的主要功(gong)能在分隔(ge)氧化劑與還原劑，并傳導離(li)子，故電解質隔(ge)膜(mo)越薄越好，但(dan)亦(yi)需顧及強度，就現(xian)階段(duan)的技術而言(yan)，其(qi)一般厚度約在數十毫(hao)米至數百毫(hao)米；至于材質，目前主要朝(chao)兩個發展方向(xiang)，其(qi)一是(shi)先(xian)以石棉膜(mo)、碳化硅SiC膜(mo)、鋁酸鋰(li)膜(mo)等絕緣材料制成多孔隔(ge)膜(mo)，再(zai)浸(jin)入熔融(rong)鋰(li)－鉀(jia)碳酸鹽、氫氧化鉀(jia)與磷(lin)酸等中，使(shi)其(qi)附(fu)著在隔(ge)膜(mo)孔內，另一則是(shi)采用全氟磺酸樹(shu)脂及YSZ。

3、集電器

集(ji)電器又稱作雙極板，具有收(shou)集(ji)電流、分隔氧化劑與還原劑、疏導反(fan)應(ying)氣體等之功用，集(ji)電器的性(xing)(xing)能(neng)主要(yao)取決(jue)于其材料特性(xing)(xing)、流場設計及(ji)其加工技術(shu)。

二、燃料電池的優點

1、發電效率高

燃料(liao)電(dian)(dian)(dian)池(chi)發電(dian)(dian)(dian)不受卡諾循環(huan)的(de)(de)限制(zhi)。理(li)論上(shang)(shang)，它的(de)(de)發電(dian)(dian)(dian)效率(lv)可達到85%～90%，但(dan)由于工作(zuo)時各(ge)種極化(hua)(hua)的(de)(de)限制(zhi)，目(mu)前(qian)燃料(liao)電(dian)(dian)(dian)池(chi)的(de)(de)能量轉化(hua)(hua)效率(lv)約(yue)為(wei)40%～60%。若實現熱電(dian)(dian)(dian)聯供，燃料(liao)的(de)(de)總(zong)利用率(lv)可高(gao)達80%以上(shang)(shang)。

2、環境污染小

燃(ran)(ran)料電池以天然氣(qi)等富氫(qing)氣(qi)體(ti)為燃(ran)(ran)料時，二氧(yang)(yang)化(hua)碳的排(pai)放量(liang)比熱機過程減少40%以上(shang)，這對(dui)(dui)緩(huan)解(jie)地球的溫(wen)室效應是(shi)十(shi)分重要(yao)的。另外，由于燃(ran)(ran)料電池的燃(ran)(ran)料氣(qi)在(zai)反應前(qian)必須脫硫，而且(qie)按電化(hua)學(xue)原理(li)發電，沒有高溫(wen)燃(ran)(ran)燒過程，因(yin)此幾乎不排(pai)放氮和硫的氧(yang)(yang)化(hua)物(wu)，減輕(qing)了(le)對(dui)(dui)大氣(qi)的污染。

3、比能量高

液氫燃(ran)料電(dian)池(chi)的(de)(de)比(bi)能(neng)量是(shi)鎳(nie)鎘電(dian)池(chi)的(de)(de)800倍，直接甲醇(chun)燃(ran)料電(dian)池(chi)的(de)(de)比(bi)能(neng)量比(bi)鋰離子電(dian)池(chi)(能(neng)量密度(du)最(zui)高(gao)(gao)的(de)(de)充電(dian)電(dian)池(chi))高(gao)(gao)10倍以上。目前，燃(ran)料電(dian)池(chi)的(de)(de)實際比(bi)能(neng)量盡管(guan)只有理論值的(de)(de)10%，但仍比(bi)一般(ban)電(dian)池(chi)的(de)(de)實際比(bi)能(neng)量高(gao)(gao)很多。

4、噪音低

燃料電池結構簡單，運動部件少(shao)，工(gong)作時噪聲很(hen)低。即使(shi)在11MW級的燃料電池發電廠附近,所測得的噪音也低于55dB。

5、燃料范圍廣

對于(yu)燃(ran)料(liao)電(dian)池而言，只要(yao)含有氫原(yuan)子的(de)(de)物質都可(ke)以作為燃(ran)料(liao)，例如天然氣、石(shi)油、煤(mei)炭等化(hua)石(shi)產物,或是沼氣、酒(jiu)精、甲醇等，因此燃(ran)料(liao)電(dian)池非常符(fu)合能源(yuan)(yuan)多樣化(hua)的(de)(de)需求，可(ke)減緩主流(liu)能源(yuan)(yuan)的(de)(de)耗竭。

6、可靠性高

當燃料電池(chi)的(de)負(fu)載有變動時，它會很快響應(ying)(ying)。無論處于(yu)額定功率以上過載運行或(huo)低于(yu)額定功率運行，它都能承受且效率變化(hua)不(bu)大。由于(yu)燃料電池(chi)的(de)運行高度可靠，可作為各種應(ying)(ying)急電源(yuan)和不(bu)間斷電源(yuan)使(shi)用。

7、易于建設

燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)具有組(zu)裝(zhuang)(zhuang)式結(jie)構，安裝(zhuang)(zhuang)維(wei)修方(fang)便，不需(xu)要很多輔(fu)助設施。燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)電(dian)站的設計和(he)制(zhi)造相當方(fang)便。

三、燃料電池的應用研究

堿性(xing)燃料(liao)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(AFC)是(shi)最早開發(fa)的燃料(liao)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)技(ji)術(shu)(shu)，在20世(shi)紀60年代(dai)就成功的應(ying)(ying)用于航天飛行(xing)領域。磷酸(suan)型燃料(liao)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)也(ye)是(shi)第(di)一(yi)代(dai)燃料(liao)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)技(ji)術(shu)(shu)，是(shi)目前最為成熟的應(ying)(ying)用技(ji)術(shu)(shu)，已經進(jin)入了商業化應(ying)(ying)用和批(pi)量生產(chan)。由于其成本太(tai)高，目前只能(neng)作為區域性(xing)電(dian)(dian)(dian)站來現場供電(dian)(dian)(dian)、供熱。熔融碳酸(suan)型燃料(liao)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)是(shi)第(di)二(er)代(dai)燃料(liao)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)技(ji)術(shu)(shu),主(zhu)要應(ying)(ying)用于設備發(fa)電(dian)(dian)(dian)。固體氧(yang)化物燃料(liao)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)以(yi)其全(quan)固態結構、更高的能(neng)量效率和對煤氣(qi)、天然氣(qi)、混合氣(qi)體等多(duo)種(zhong)燃料(liao)氣(qi)體廣泛適應(ying)(ying)性(xing)等突出特點，發(fa)展最快(kuai)，應(ying)(ying)用廣泛，成為第(di)三代(dai)燃料(liao)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)。

目前正在開(kai)發(fa)的(de)商用燃(ran)(ran)料(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)(dian)池還有質子交換膜燃(ran)(ran)料(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)(dian)池(PEMFC)。它具(ju)有較(jiao)高的(de)能量(liang)效率和能量(liang)密度,體積(ji)重量(liang)小，冷(leng)啟動時間短,運行(xing)安全(quan)可靠。另外，由于使用的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)解質膜為固態(tai)，可避免電(dian)(dian)(dian)(dian)解質腐蝕。燃(ran)(ran)料(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)(dian)池技術(shu)的(de)研究與開(kai)發(fa)已(yi)取得了重大進(jin)展，技術(shu)逐漸成(cheng)熟，并在一定程度上(shang)實現(xian)了商業(ye)化。作為21世紀的(de)高科技產品,燃(ran)(ran)料(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)(dian)池已(yi)應用于汽車工業(ye)、能源(yuan)發(fa)電(dian)(dian)(dian)(dian)、船(chuan)舶工業(ye)、航空航天、家用電(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)等行(xing)業(ye)，受到(dao)各國政府的(de)重視。

我國(guo)燃(ran)(ran)(ran)(ran)(ran)(ran)料(liao)(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)(jiu)始于20世紀50年(nian)(nian)(nian)代(dai)末，70年(nian)(nian)(nian)代(dai)國(guo)內(nei)的(de)(de)(de)燃(ran)(ran)(ran)(ran)(ran)(ran)料(liao)(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)(jiu)出現(xian)了第一次(ci)(ci)高峰，主要是國(guo)家投資的(de)(de)(de)航天用AFC,如氨/空氣(qi)(qi)燃(ran)(ran)(ran)(ran)(ran)(ran)料(liao)(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)、肼(jing)/空氣(qi)(qi)燃(ran)(ran)(ran)(ran)(ran)(ran)料(liao)(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)、乙二醇/空氣(qi)(qi)燃(ran)(ran)(ran)(ran)(ran)(ran)料(liao)(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)等。80年(nian)(nian)(nian)代(dai)我國(guo)燃(ran)(ran)(ran)(ran)(ran)(ran)料(liao)(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)(jiu)處于低潮，90年(nian)(nian)(nian)代(dai)以來，隨著國(guo)外(wai)燃(ran)(ran)(ran)(ran)(ran)(ran)料(liao)(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)技(ji)術(shu)取得(de)了重(zhong)(zhong)大(da)(da)進(jin)展(zhan)，在(zai)國(guo)內(nei)又形成(cheng)了新一輪的(de)(de)(de)燃(ran)(ran)(ran)(ran)(ran)(ran)料(liao)(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)(jiu)熱潮。1996年(nian)(nian)(nian)召開(kai)的(de)(de)(de)第59次(ci)(ci)香山科(ke)學會議上專門討論(lun)了“燃(ran)(ran)(ran)(ran)(ran)(ran)料(liao)(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)的(de)(de)(de)研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)(jiu)現(xian)狀與未來發展(zhan)”，鑒于PAFC在(zai)國(guo)外(wai)技(ji)術(shu)已成(cheng)熟并進(jin)入(ru)商品開(kai)發階段，我國(guo)重(zhong)(zhong)點(dian)研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)(jiu)開(kai)發PEMFC、MCFC和(he)SOFC。中國(guo)科(ke)學院(yuan)將燃(ran)(ran)(ran)(ran)(ran)(ran)料(liao)(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)技(ji)術(shu)列為(wei)“九(jiu)五(wu)”院(yuan)重(zhong)(zhong)大(da)(da)和(he)特(te)別支(zhi)持項目，國(guo)家科(ke)委也相繼(ji)將燃(ran)(ran)(ran)(ran)(ran)(ran)料(liao)(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)技(ji)術(shu)包括DAFC列入(ru)“九(jiu)五(wu)”、“十五(wu)”攻(gong)關(guan)、“ 863”、“973”等重(zhong)(zhong)大(da)(da)計劃之中。燃(ran)(ran)(ran)(ran)(ran)(ran)料(liao)(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)的(de)(de)(de)開(kai)發是一較大(da)(da)的(de)(de)(de)系統工(gong)程，“官(guan)、產(chan)、研(yan)(yan)”結合是國(guo)際上燃(ran)(ran)(ran)(ran)(ran)(ran)料(liao)(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)(jiu)開(kai)發的(de)(de)(de)一個顯著特(te)點(dian)，也是必由之路(lu)。目前，我國(guo)政(zheng)府高度(du)重(zhong)(zhong)視，研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)(jiu)單位眾多，具有多年(nian)(nian)(nian)的(de)(de)(de)人(ren)才儲備和(he)科(ke)研(yan)(yan)積累(lei)，產(chan)業部門的(de)(de)(de)興趣不(bu)斷增(zeng)加(jia)，需求(qiu)迫切，這些都為(wei)我國(guo)燃(ran)(ran)(ran)(ran)(ran)(ran)料(liao)(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)的(de)(de)(de)快(kuai)速發展(zhan)帶來了無限的(de)(de)(de)生(sheng)機。

另一(yi)方面，我國是一(yi)個產煤(mei)(mei)和燃(ran)煤(mei)(mei)大國，煤(mei)(mei)的(de)(de)總消耗(hao)量約占(zhan)世界的(de)(de)25%左右，造成(cheng)煤(mei)(mei)燃(ran)料的(de)(de)極大浪費和嚴重(zhong)的(de)(de)環(huan)境污染(ran)。隨著國民(min)經濟的(de)(de)快速發展和人民(min)生(sheng)活水平的(de)(de)不斷(duan)提高(gao)，我國汽(qi)車(che)(che)的(de)(de)擁有量(包括私人汽(qi)車(che)(che))迅猛(meng)增長，致(zhi)使(shi)燃(ran)油的(de)(de)汽(qi)車(che)(che)越來越成(cheng)為重(zhong)要的(de)(de)污染(ran)源(yuan)(yuan)。所以開發燃(ran)料電池這種(zhong)潔凈(jing)能源(yuan)(yuan)技術就顯得極其重(zhong)要，這也是高(gao)效、合(he)理使(shi)用資(zi)源(yuan)(yuan)和保護環(huan)境的(de)(de)一(yi)個重(zhong)要途徑(jing)。