燃料電池的組成結構 有哪些優點 燃料電池的應用研究

一、燃料電池的組成結構

1、電極

燃料電池的電極是燃料發生氧化反應與氧化劑發生還原反應的電化學反應場所，其性能的好壞關鍵在于觸媒的性能、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；其結構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構，所以設計成多孔結構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），而氣體在電解質中的溶解度并不高，為了提高燃料電池的實際工作電流密度與降低極化作用，故發展出多孔結構的的電極，以增加參與反應的電極表面積，而此也是燃料電池當初所以能從理論研究階段步入實用化階段的重要關鍵原因之一。

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散層支撐一薄層觸媒材料而構成，例如磷酸燃料電池與質子交換膜燃料電池的白金電極等。

2、電解質隔膜

電解質隔膜的主要功能在分隔氧化劑與還原劑，并傳導離子，故電解質隔膜越薄越好，但亦需顧及強度，就現階段的技術而言，其一般厚度約在數十毫米至數百毫米；至于材質，目前主要朝兩個發展方向，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，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、疏導反應氣體等之功用，集電器的性能主要取決于其材料特性、流場設計及其加工技術。

二、燃料電池的優點

1、發電效率高

燃料電池發電不受卡諾循環的限制。理論上，它的發電效率可達到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化效率約為40%～60%。若實現熱電聯供，燃料的總利用率可高達80%以上。

2、環境污染小

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過程減少40%以上，這對緩解地球的溫室效應是十分重要的。另外，由于燃料電池的燃料氣在反應前必須脫硫，而且按電化學原理發電，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，燃料電池的實際比能量盡管只有理論值的10%，但仍比一般電池的實際比能量高很多。

4、噪音低

燃料電池結構簡單，運動部件少，工作時噪聲很低。即使在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

對于燃料電池而言，只要含有氫原子的物質都可以作為燃料，例如天然氣、石油、煤炭等化石產物,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

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

7、易于建設

燃料電池具有組裝式結構，安裝維修方便，不需要很多輔助設施。燃料電池電站的設計和制造相當方便。

三、燃料電池的應用研究

堿性燃料電池(AFC)是最早開發的燃料電池技術，在20世紀60年代就成功的應用于航天飛行領域。磷酸型燃料電池也是第一代燃料電池技術，是目前最為成熟的應用技術，已經進入了商業化應用和批量生產。由于其成本太高，目前只能作為區域性電站來現場供電、供熱。熔融碳酸型燃料電池是第二代燃料電池技術,主要應用于設備發電。固體氧化物燃料電池以其全固態結構、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性等突出特點，發展最快，應用廣泛，成為第三代燃料電池。

目前正在開發的商用燃料電池還有質子交換膜燃料電池(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,運行安全可靠。另外，由于使用的電解質膜為固態，可避免電解質腐蝕。燃料電池技術的研究與開發已取得了重大進展，技術逐漸成熟，并在一定程度上實現了商業化。作為21世紀的高科技產品,燃料電池已應用于汽車工業、能源發電、船舶工業、航空航天、家用電源等行業，受到各國政府的重視。

我國燃料電池研究始于20世紀50年代末，70年代國內的燃料電池研究出現了第一次高峰，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取得了重大進展，在國內又形成了新一輪的燃料電池研究熱潮。1996年召開的第59次香山科學會議上專門討論了“燃料電池的研究現狀與未來發展”，鑒于PAFC在國外技術已成熟并進入商品開發階段，我國重點研究開發PEMFC、MCFC和SOFC。中國科學院將燃料電池技術列為“九五”院重大和特別支持項目，國家科委也相繼將燃料電池技術包括DAFC列入“九五”、“十五”攻關、“ 863”、“973”等重大計劃之中。燃料電池的開發是一較大的系統工程，“官、產、研”結合是國際上燃料電池研究開發的一個顯著特點，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，產業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展帶來了無限的生機。

另一方面，我國是一個產煤和燃煤大國，煤的總消耗量約占世界的25%左右，造成煤燃料的極大浪費和嚴重的環境污染。隨著國民經濟的快速發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。所以開發燃料電池這種潔凈能源技術就顯得極其重要，這也是高效、合理使用資源和保護環境的一個重要途徑。