一、燃料電池的組成結構

1、電極

燃料電(dian)池的電(dian)極(ji)(ji)是燃料發生(sheng)氧(yang)化(hua)反(fan)應(ying)與氧(yang)化(hua)劑發生(sheng)還原反(fan)應(ying)的電(dian)化(hua)學反(fan)應(ying)場(chang)所，其性(xing)能(neng)的好壞關(guan)鍵在于(yu)觸(chu)媒(mei)的性(xing)能(neng)、電(dian)極(ji)(ji)的材料與電(dian)極(ji)(ji)的制程等。

電(dian)極主要(yao)可分為兩部分，其一(yi)(yi)為陽極，另一(yi)(yi)為陰極，厚度一(yi)(yi)般為200－500mm；其結(jie)(jie)構(gou)與(yu)一(yi)(yi)般電(dian)池(chi)之(zhi)平板電(dian)極不同之(zhi)處(chu)，在(zai)于燃料(liao)(liao)電(dian)池(chi)的(de)(de)電(dian)極為多孔結(jie)(jie)構(gou)，所以(yi)設計(ji)成多孔結(jie)(jie)構(gou)的(de)(de)主要(yao)原(yuan)因是(shi)燃料(liao)(liao)電(dian)池(chi)所使用的(de)(de)燃料(liao)(liao)及氧(yang)化(hua)劑大多為氣(qi)體（例如氧(yang)氣(qi)、氫氣(qi)等），而(er)氣(qi)體在(zai)電(dian)解(jie)質中的(de)(de)溶解(jie)度并(bing)不高(gao)，為了提高(gao)燃料(liao)(liao)電(dian)池(chi)的(de)(de)實(shi)際工作電(dian)流密度與(yu)降(jiang)低極化(hua)作用，故發展出多孔結(jie)(jie)構(gou)的(de)(de)的(de)(de)電(dian)極，以(yi)增加參與(yu)反應(ying)的(de)(de)電(dian)極表面積，而(er)此也(ye)是(shi)燃料(liao)(liao)電(dian)池(chi)當初所以(yi)能(neng)從理論(lun)研究階(jie)段(duan)步入實(shi)用化(hua)階(jie)段(duan)的(de)(de)重要(yao)關(guan)鍵原(yuan)因之(zhi)一(yi)(yi)。

目前(qian)高溫燃料(liao)電(dian)(dian)(dian)池(chi)之電(dian)(dian)(dian)極主(zhu)要(yao)是(shi)以觸媒材料(liao)制成(cheng)，例如(ru)固態氧化物燃料(liao)電(dian)(dian)(dian)池(chi)的Y2O3－stabilized－ZrO2及(ji)熔融碳酸(suan)鹽燃料(liao)電(dian)(dian)(dian)池(chi)的氧化鎳電(dian)(dian)(dian)極等，而低溫燃料(liao)電(dian)(dian)(dian)池(chi)則主(zhu)要(yao)是(shi)由氣體擴散層支(zhi)撐一薄層觸媒材料(liao)而構成(cheng)，例如(ru)磷(lin)酸(suan)燃料(liao)電(dian)(dian)(dian)池(chi)與質子交(jiao)換膜(mo)燃料(liao)電(dian)(dian)(dian)池(chi)的白金電(dian)(dian)(dian)極等。

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2、電解質隔膜

電解(jie)(jie)質(zhi)隔(ge)膜(mo)的(de)主(zhu)要功能在(zai)(zai)分隔(ge)氧化劑(ji)與還原(yuan)劑(ji)，并傳導離子(zi)，故電解(jie)(jie)質(zhi)隔(ge)膜(mo)越薄(bo)越好，但亦需顧及(ji)強度，就現階段的(de)技術(shu)而言，其一(yi)般厚(hou)度約在(zai)(zai)數(shu)十(shi)毫米(mi)(mi)至數(shu)百(bai)毫米(mi)(mi)；至于材(cai)質(zhi)，目(mu)前主(zhu)要朝兩個發展方向，其一(yi)是先以石棉膜(mo)、碳(tan)(tan)化硅(gui)SiC膜(mo)、鋁酸(suan)(suan)鋰膜(mo)等(deng)絕緣材(cai)料(liao)制成多孔隔(ge)膜(mo)，再浸入熔(rong)融(rong)鋰－鉀(jia)碳(tan)(tan)酸(suan)(suan)鹽、氫氧化鉀(jia)與磷(lin)酸(suan)(suan)等(deng)中，使其附著(zhu)在(zai)(zai)隔(ge)膜(mo)孔內，另一(yi)則是采用全氟磺(huang)酸(suan)(suan)樹脂及(ji)YSZ。

3、集電器

集(ji)電器又稱(cheng)作雙極板，具有收集(ji)電流、分隔氧(yang)化劑(ji)與還(huan)原劑(ji)、疏導反應氣體等之(zhi)功用，集(ji)電器的性(xing)能主要取(qu)決于其材料特性(xing)、流場設計及其加工技術。

二、燃料電池的優點

1、發電效率高

燃料電(dian)(dian)(dian)池(chi)發(fa)電(dian)(dian)(dian)不受卡諾循(xun)環的(de)(de)限制(zhi)。理論(lun)上，它的(de)(de)發(fa)電(dian)(dian)(dian)效(xiao)率(lv)可達(da)到85%～90%，但由(you)于工作時各種極化(hua)的(de)(de)限制(zhi)，目前(qian)燃料電(dian)(dian)(dian)池(chi)的(de)(de)能量轉化(hua)效(xiao)率(lv)約為40%～60%。若(ruo)實現熱電(dian)(dian)(dian)聯供(gong)，燃料的(de)(de)總(zong)利用率(lv)可高(gao)達(da)80%以上。

2、環境污染小

燃料(liao)電(dian)池(chi)以(yi)天然氣等富氫氣體為燃料(liao)時，二氧化(hua)碳的(de)(de)(de)(de)排放(fang)量比熱機過程減(jian)少40%以(yi)上，這對緩解地球的(de)(de)(de)(de)溫(wen)室效應是(shi)十分重(zhong)要的(de)(de)(de)(de)。另外(wai)，由于(yu)燃料(liao)電(dian)池(chi)的(de)(de)(de)(de)燃料(liao)氣在反應前(qian)必須脫硫(liu)，而且按電(dian)化(hua)學原理發電(dian)，沒有高溫(wen)燃燒過程，因此幾(ji)乎不排放(fang)氮和硫(liu)的(de)(de)(de)(de)氧化(hua)物(wu)，減(jian)輕了(le)對大氣的(de)(de)(de)(de)污染。

3、比能量高

液氫燃料電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)的(de)(de)比(bi)(bi)能(neng)量(liang)(liang)是(shi)鎳(nie)鎘電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)的(de)(de)800倍(bei)，直接甲醇燃料電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)的(de)(de)比(bi)(bi)能(neng)量(liang)(liang)比(bi)(bi)鋰(li)離子電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(能(neng)量(liang)(liang)密度最高的(de)(de)充(chong)電(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi))高10倍(bei)以(yi)上。目前，燃料電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)的(de)(de)實(shi)際比(bi)(bi)能(neng)量(liang)(liang)盡管只有(you)理論(lun)值的(de)(de)10%，但仍比(bi)(bi)一般電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)的(de)(de)實(shi)際比(bi)(bi)能(neng)量(liang)(liang)高很多。

4、噪音低

燃(ran)料電池(chi)結(jie)構簡單，運動部(bu)件少，工作時噪聲很低(di)。即使在11MW級的燃(ran)料電池(chi)發(fa)電廠附近,所測得的噪音(yin)也(ye)低(di)于55dB。

5、燃料范圍廣

對于燃料(liao)電池而言，只要含有氫原子的(de)物質都(dou)可(ke)以作為燃料(liao)，例(li)如天然氣、石油、煤炭(tan)等化(hua)石產物,或是沼(zhao)氣、酒精、甲醇等，因此燃料(liao)電池非常符合能源(yuan)多樣化(hua)的(de)需求，可(ke)減(jian)緩主流能源(yuan)的(de)耗(hao)竭。

6、可靠性高

當燃料(liao)電(dian)池的(de)負載有變(bian)動時，它會(hui)很快響應。無論處于(yu)額(e)定(ding)功率(lv)以上過載運行(xing)或低于(yu)額(e)定(ding)功率(lv)運行(xing)，它都能承受(shou)且效率(lv)變(bian)化(hua)不大。由于(yu)燃料(liao)電(dian)池的(de)運行(xing)高度可靠，可作為(wei)各種應急電(dian)源和不間斷(duan)電(dian)源使(shi)用。

7、易于建設

燃料電(dian)池具有組裝式結構，安裝維修方便(bian)，不需要(yao)很(hen)多輔助設施。燃料電(dian)池電(dian)站的(de)設計(ji)和(he)制造相當方便(bian)。

三、燃料電池的應用研究

堿性燃(ran)料(liao)(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(AFC)是(shi)最早開發的燃(ran)料(liao)(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)技(ji)(ji)術(shu)，在20世紀(ji)60年代就成功的應用于(yu)(yu)航天飛行領(ling)域。磷酸(suan)型燃(ran)料(liao)(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)也是(shi)第(di)一代燃(ran)料(liao)(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)技(ji)(ji)術(shu)，是(shi)目(mu)前最為成熟的應用技(ji)(ji)術(shu)，已(yi)經進入(ru)了(le)商業化(hua)應用和批(pi)量(liang)生產(chan)。由于(yu)(yu)其(qi)(qi)成本太(tai)高，目(mu)前只能作為區域性電(dian)(dian)(dian)(dian)站來現場(chang)供電(dian)(dian)(dian)(dian)、供熱(re)。熔融碳酸(suan)型燃(ran)料(liao)(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)是(shi)第(di)二代燃(ran)料(liao)(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)技(ji)(ji)術(shu),主要應用于(yu)(yu)設(she)備發電(dian)(dian)(dian)(dian)。固體氧化(hua)物(wu)燃(ran)料(liao)(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)以其(qi)(qi)全固態結構、更(geng)高的能量(liang)效率和對煤氣、天然氣、混合氣體等(deng)多種燃(ran)料(liao)(liao)(liao)氣體廣泛適應性等(deng)突出特點，發展最快，應用廣泛，成為第(di)三代燃(ran)料(liao)(liao)(liao)電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)。

目(mu)前正(zheng)在(zai)開發的商(shang)用(yong)燃(ran)料電(dian)池還有(you)質(zhi)(zhi)子交換膜燃(ran)料電(dian)池(PEMFC)。它具有(you)較高的能量效率和能量密度,體積重量小，冷啟動時(shi)間短(duan),運(yun)行安全(quan)可(ke)靠。另外，由于(yu)使(shi)用(yong)的電(dian)解(jie)質(zhi)(zhi)膜為(wei)固態，可(ke)避免電(dian)解(jie)質(zhi)(zhi)腐蝕。燃(ran)料電(dian)池技術的研究與開發已取得了(le)重大進展(zhan)，技術逐漸成熟(shu)，并在(zai)一定程(cheng)度上實現了(le)商(shang)業(ye)(ye)化。作為(wei)21世紀的高科技產品,燃(ran)料電(dian)池已應用(yong)于(yu)汽(qi)車(che)工(gong)業(ye)(ye)、能源發電(dian)、船舶工(gong)業(ye)(ye)、航空航天、家用(yong)電(dian)源等行業(ye)(ye)，受到(dao)各(ge)國政府的重視。

我國(guo)(guo)(guo)(guo)(guo)燃(ran)(ran)(ran)料電(dian)池(chi)研(yan)究(jiu)(jiu)始于20世(shi)紀(ji)50年(nian)代末(mo)，70年(nian)代國(guo)(guo)(guo)(guo)(guo)內(nei)(nei)的(de)(de)燃(ran)(ran)(ran)料電(dian)池(chi)研(yan)究(jiu)(jiu)出現(xian)了(le)第一(yi)(yi)次高(gao)峰，主要是(shi)國(guo)(guo)(guo)(guo)(guo)家投資的(de)(de)航天用AFC,如氨/空(kong)氣(qi)燃(ran)(ran)(ran)料電(dian)池(chi)、肼/空(kong)氣(qi)燃(ran)(ran)(ran)料電(dian)池(chi)、乙二醇(chun)/空(kong)氣(qi)燃(ran)(ran)(ran)料電(dian)池(chi)等。80年(nian)代我國(guo)(guo)(guo)(guo)(guo)燃(ran)(ran)(ran)料電(dian)池(chi)研(yan)究(jiu)(jiu)處(chu)于低(di)潮，90年(nian)代以來，隨著國(guo)(guo)(guo)(guo)(guo)外燃(ran)(ran)(ran)料電(dian)池(chi)技術取(qu)得了(le)重(zhong)大(da)進展(zhan)，在國(guo)(guo)(guo)(guo)(guo)內(nei)(nei)又形成(cheng)了(le)新一(yi)(yi)輪(lun)的(de)(de)燃(ran)(ran)(ran)料電(dian)池(chi)研(yan)究(jiu)(jiu)熱(re)潮。1996年(nian)召開的(de)(de)第59次香(xiang)山科學會議上專門討論了(le)“燃(ran)(ran)(ran)料電(dian)池(chi)的(de)(de)研(yan)究(jiu)(jiu)現(xian)狀(zhuang)與未來發(fa)(fa)展(zhan)”，鑒于PAFC在國(guo)(guo)(guo)(guo)(guo)外技術已成(cheng)熟并進入商品開發(fa)(fa)階段，我國(guo)(guo)(guo)(guo)(guo)重(zhong)點研(yan)究(jiu)(jiu)開發(fa)(fa)PEMFC、MCFC和SOFC。中國(guo)(guo)(guo)(guo)(guo)科學院將(jiang)燃(ran)(ran)(ran)料電(dian)池(chi)技術列為“九(jiu)五(wu)”院重(zhong)大(da)和特(te)別支持項目(mu)(mu)，國(guo)(guo)(guo)(guo)(guo)家科委也相繼將(jiang)燃(ran)(ran)(ran)料電(dian)池(chi)技術包括DAFC列入“九(jiu)五(wu)”、“十五(wu)”攻關、“ 863”、“973”等重(zhong)大(da)計劃(hua)之(zhi)(zhi)中。燃(ran)(ran)(ran)料電(dian)池(chi)的(de)(de)開發(fa)(fa)是(shi)一(yi)(yi)較大(da)的(de)(de)系統(tong)工程(cheng)，“官、產、研(yan)”結合是(shi)國(guo)(guo)(guo)(guo)(guo)際上燃(ran)(ran)(ran)料電(dian)池(chi)研(yan)究(jiu)(jiu)開發(fa)(fa)的(de)(de)一(yi)(yi)個顯(xian)著特(te)點，也是(shi)必由(you)之(zhi)(zhi)路。目(mu)(mu)前(qian)，我國(guo)(guo)(guo)(guo)(guo)政府(fu)高(gao)度(du)重(zhong)視，研(yan)究(jiu)(jiu)單位(wei)眾多，具有多年(nian)的(de)(de)人才(cai)儲備(bei)和科研(yan)積累，產業部門的(de)(de)興趣不斷增(zeng)加，需求迫切，這些都為我國(guo)(guo)(guo)(guo)(guo)燃(ran)(ran)(ran)料電(dian)池(chi)的(de)(de)快(kuai)速(su)發(fa)(fa)展(zhan)帶來了(le)無限的(de)(de)生機(ji)。

另(ling)一(yi)方(fang)面(mian)，我(wo)國是(shi)(shi)一(yi)個產煤和(he)燃煤大國，煤的(de)(de)(de)總消耗量約占世界(jie)的(de)(de)(de)25%左右，造成煤燃料(liao)(liao)的(de)(de)(de)極大浪(lang)費和(he)嚴(yan)重的(de)(de)(de)環(huan)境污(wu)染。隨(sui)著國民(min)經濟(ji)的(de)(de)(de)快速發展和(he)人民(min)生活(huo)水平的(de)(de)(de)不斷提高，我(wo)國汽(qi)(qi)車的(de)(de)(de)擁有(you)量(包括私人汽(qi)(qi)車)迅猛(meng)增(zeng)長，致(zhi)使燃油的(de)(de)(de)汽(qi)(qi)車越來越成為重要的(de)(de)(de)污(wu)染源(yuan)。所以開發燃料(liao)(liao)電池這(zhe)種(zhong)潔凈能(neng)源(yuan)技術就顯得極其重要，這(zhe)也(ye)是(shi)(shi)高效、合理(li)使用資源(yuan)和(he)保護環(huan)境的(de)(de)(de)一(yi)個重要途徑。