一、燃料電池的組成結(jié)構(gòu)

1、電極

燃料電池的電極是燃料發(fā)生氧化反應(yīng)與氧化劑發(fā)生還原反應(yīng)的電化學(xué)反應(yīng)場所，其性能的好壞關(guān)鍵在于觸媒的性能、電極的材料與電極的制程等。

電極主要可分為兩部分，其一為陽極，另一為陰極，厚度一般為200－500mm；其結(jié)構(gòu)與一般電池之平板電極不同之處，在于燃料電池的電極為多孔結(jié)構(gòu)，所以設(shè)計(jì)成多孔結(jié)構(gòu)的主要原因是燃料電池所使用的燃料及氧化劑大多為氣體（例如氧氣、氫氣等），而氣體在電解質(zhì)中的溶解度并不高，為了提高燃料電池的實(shí)際工作電流密度與降低極化作用，故發(fā)展出多孔結(jié)構(gòu)的的電極，以增加參與反應(yīng)的電極表面積，而此也是燃料電池當(dāng)初所以能從理論研究階段步入實(shí)用化階段的重要關(guān)鍵原因之一。

目前高溫燃料電池之電極主要是以觸媒材料制成，例如固態(tài)氧化物燃料電池的Y2O3－stabilized－ZrO2及熔融碳酸鹽燃料電池的氧化鎳電極等，而低溫燃料電池則主要是由氣體擴(kuò)散層支撐一薄層觸媒材料而構(gòu)成，例如磷酸燃料電池與質(zhì)子交換膜燃料電池的白金電極等。

2、電解質(zhì)隔膜

電解質(zhì)隔膜的主要功能在分隔氧化劑與還原劑，并傳導(dǎo)離子，故電解質(zhì)隔膜越薄越好，但亦需顧及強(qiáng)度，就現(xiàn)階段的技術(shù)而言，其一般厚度約在數(shù)十毫米至數(shù)百毫米；至于材質(zhì)，目前主要朝兩個發(fā)展方向，其一是先以石棉膜、碳化硅SiC膜、鋁酸鋰膜等絕緣材料制成多孔隔膜，再浸入熔融鋰－鉀碳酸鹽、氫氧化鉀與磷酸等中，使其附著在隔膜孔內(nèi)，另一則是采用全氟磺酸樹脂及YSZ。

3、集電器

集電器又稱作雙極板，具有收集電流、分隔氧化劑與還原劑、疏導(dǎo)反應(yīng)氣體等之功用，集電器的性能主要取決于其材料特性、流場設(shè)計(jì)及其加工技術(shù)。

二、燃料電池的優(yōu)點(diǎn)

1、發(fā)電效率高

燃料電池發(fā)電不受卡諾循環(huán)的限制。理論上，它的發(fā)電效率可達(dá)到85%～90%，但由于工作時各種極化的限制，目前燃料電池的能量轉(zhuǎn)化效率約為40%～60%。若實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)供，燃料的總利用率可高達(dá)80%以上。

2、環(huán)境污染小

燃料電池以天然氣等富氫氣體為燃料時，二氧化碳的排放量比熱機(jī)過程減少40%以上，這對緩解地球的溫室效應(yīng)是十分重要的。另外，由于燃料電池的燃料氣在反應(yīng)前必須脫硫，而且按電化學(xué)原理發(fā)電，沒有高溫燃燒過程，因此幾乎不排放氮和硫的氧化物，減輕了對大氣的污染。

3、比能量高

液氫燃料電池的比能量是鎳鎘電池的800倍，直接甲醇燃料電池的比能量比鋰離子電池(能量密度最高的充電電池)高10倍以上。目前，燃料電池的實(shí)際比能量盡管只有理論值的10%，但仍比一般電池的實(shí)際比能量高很多。

4、噪音低

燃料電池結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)動部件少，工作時噪聲很低。即使在11MW級的燃料電池發(fā)電廠附近,所測得的噪音也低于55dB。

5、燃料范圍廣

對于燃料電池而言，只要含有氫原子的物質(zhì)都可以作為燃料，例如天然氣、石油、煤炭等化石產(chǎn)物,或是沼氣、酒精、甲醇等，因此燃料電池非常符合能源多樣化的需求，可減緩主流能源的耗竭。

6、可靠性高

當(dāng)燃料電池的負(fù)載有變動時，它會很快響應(yīng)。無論處于額定功率以上過載運(yùn)行或低于額定功率運(yùn)行，它都能承受且效率變化不大。由于燃料電池的運(yùn)行高度可靠，可作為各種應(yīng)急電源和不間斷電源使用。

7、易于建設(shè)

燃料電池具有組裝式結(jié)構(gòu)，安裝維修方便，不需要很多輔助設(shè)施。燃料電池電站的設(shè)計(jì)和制造相當(dāng)方便。

三、燃料電池的應(yīng)用研究

堿性燃料電池(AFC)是最早開發(fā)的燃料電池技術(shù)，在20世紀(jì)60年代就成功的應(yīng)用于航天飛行領(lǐng)域。磷酸型燃料電池也是第一代燃料電池技術(shù)，是目前最為成熟的應(yīng)用技術(shù)，已經(jīng)進(jìn)入了商業(yè)化應(yīng)用和批量生產(chǎn)。由于其成本太高，目前只能作為區(qū)域性電站來現(xiàn)場供電、供熱。熔融碳酸型燃料電池是第二代燃料電池技術(shù),主要應(yīng)用于設(shè)備發(fā)電。固體氧化物燃料電池以其全固態(tài)結(jié)構(gòu)、更高的能量效率和對煤氣、天然氣、混合氣體等多種燃料氣體廣泛適應(yīng)性等突出特點(diǎn)，發(fā)展最快，應(yīng)用廣泛，成為第三代燃料電池。

目前正在開發(fā)的商用燃料電池還有質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)。它具有較高的能量效率和能量密度,體積重量小，冷啟動時間短,運(yùn)行安全可靠。另外，由于使用的電解質(zhì)膜為固態(tài)，可避免電解質(zhì)腐蝕。燃料電池技術(shù)的研究與開發(fā)已取得了重大進(jìn)展，技術(shù)逐漸成熟，并在一定程度上實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化。作為21世紀(jì)的高科技產(chǎn)品,燃料電池已應(yīng)用于汽車工業(yè)、能源發(fā)電、船舶工業(yè)、航空航天、家用電源等行業(yè)，受到各國政府的重視。

我國燃料電池研究始于20世紀(jì)50年代末，70年代國內(nèi)的燃料電池研究出現(xiàn)了第一次高峰，主要是國家投資的航天用AFC,如氨/空氣燃料電池、肼/空氣燃料電池、乙二醇/空氣燃料電池等。80年代我國燃料電池研究處于低潮，90年代以來，隨著國外燃料電池技術(shù)取得了重大進(jìn)展，在國內(nèi)又形成了新一輪的燃料電池研究熱潮。1996年召開的第59次香山科學(xué)會議上專門討論了“燃料電池的研究現(xiàn)狀與未來發(fā)展”，鑒于PAFC在國外技術(shù)已成熟并進(jìn)入商品開發(fā)階段，我國重點(diǎn)研究開發(fā)PEMFC、MCFC和SOFC。中國科學(xué)院將燃料電池技術(shù)列為“九五”院重大和特別支持項(xiàng)目，國家科委也相繼將燃料電池技術(shù)包括DAFC列入“九五”、“十五”攻關(guān)、“ 863”、“973”等重大計(jì)劃之中。燃料電池的開發(fā)是一較大的系統(tǒng)工程，“官、產(chǎn)、研”結(jié)合是國際上燃料電池研究開發(fā)的一個顯著特點(diǎn)，也是必由之路。目前，我國政府高度重視，研究單位眾多，具有多年的人才儲備和科研積累，產(chǎn)業(yè)部門的興趣不斷增加，需求迫切，這些都為我國燃料電池的快速發(fā)展帶來了無限的生機(jī)。

另一方面，我國是一個產(chǎn)煤和燃煤大國，煤的總消耗量約占世界的25%左右，造成煤燃料的極大浪費(fèi)和嚴(yán)重的環(huán)境污染。隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，我國汽車的擁有量(包括私人汽車)迅猛增長，致使燃油的汽車越來越成為重要的污染源。所以開發(fā)燃料電池這種潔凈能源技術(shù)就顯得極其重要，這也是高效、合理使用資源和保護(hù)環(huán)境的一個重要途徑。

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