燃料电池概念 浅析燃料电池的结构、工作原理及未来发展

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燃料电池(FuelCell)是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。燃料和空气分别送进燃料电池，电就被奇妙地生产出来。它从外表上看有正负极和电解质等，像一个蓄电池，但实质上它不能“储电”而是一个“发电厂”。但是，它需要电极和电解质以及氧化还原反应才能发电。

燃料电池其原理是一种电化学装置，其组成与一般电池相同。其单体电池是由正负两个电极(负极即燃料电极和正极即氧化剂电极)以及电解质组成。不同的是一般电池的活性物质贮存在电池内部，因此，限制了电池容量。而燃料电池的正、负极本身不包含活性物质，只是个催化转换元件。因此燃料电池是名符其实的把化学能转化为电能的能量转换机器。电池工作时，燃料和氧化剂由外部供给，进行反应。原则上只要反应物不断输入，反应产物不断排除，燃料电池就能连续地发电。

燃料电池的特点

(l)不受卡诺循环限制，能量转换效率高。

(2)燃料电池的输出功率由单电池性能、电极面积和单电池个数决定。

(3)环保问题少。

(4)负荷应答速度快，运行质量高。

燃料电池优势

1、无噪声。燃料电池运行安静,噪声大约只有55dB,相当于人们正常交谈的水平。不会对人类工作学习造成干扰，这使得燃料电池适合于室内安装,或是在室外对噪声有限制的地方。

2、高效率。燃料电池的发电效率可以达到50%以上,这是由燃料电池的转换性质决定的,直接将化学能转换为电能,不需要经过热能和机械能(发电机)的中间变换。能源利用率大幅度提高。

3、无污染。燃料电池对环境无污染。它是通过电化学反应,而不是采用燃烧(汽、柴油)或储能(蓄电池)方式--最典型的传统后备电源方案。燃烧会释放象COx、NOx、SOx气体和粉尘等污染物。但燃料电池只会产生水和热。如果氢是通过可再生能源产生的(光伏电池板、风能发电等),整个循环就是彻底的不产生有害物质排放的过程。

燃料电池结构

燃料电池的主要构成组件为：电极(Electrode)、电解质隔膜(ElectrolyteMembrane)与集电器(CurrentCollector)等。

1、电极

燃料电池的电极是燃料发生氧化反应与氧化剂发生还原反应的电化学反应场所，其性能的好坏关键在于触媒的性能、电极的材料与电极的制程等。

电极主要可分为两部分，其一为阳极(Anode)，另一为阴极(Cathode)，厚度一般为200-500mm;其结构与一般电池之平板电极不同之处，在于燃料电池的电极为多孔结构，所以设计成多孔结构的主要原因是燃料电池所使用的燃料及氧化剂大多为气体(例如氧气、氢气等)，而气体在电解质中的溶解度并不高，为了提高燃料电池的实际工作电流密度与降低极化作用，故发展出多孔结构的的电极，以增加参与反应的电极表面积，而此也是燃料电池当初所以能从理论研究阶段步入实用化阶段的重要关键原因之一。

目前高温燃料电池之电极主要是以触媒材料制成，例如固态氧化物燃料电池(简称SOFC)的Y2O3-stabilized-ZrO2(简称YSZ)及熔融碳酸盐燃料电池(简称MCFC)的氧化镍电极等，而低温燃料电池则主要是由气体扩散层支撑一薄层触媒材料而构成，例如磷酸燃料电池(简称PAFC)与质子交换膜燃料电池(简称PEMFC)的白金电极等。

2、电解质隔膜

电解质隔膜的主要功能在分隔氧化剂与还原剂，并传导离子，故电解质隔膜越薄越好，但亦需顾及强度，就现阶段的技术而言，其一般厚度约在数十毫米至数百毫米;至于材质，目前主要朝两个发展方向，其一是先以石棉(Asbestos)膜、碳化硅SiC膜、铝酸锂(LiAlO3)膜等绝缘材料制成多孔隔膜，再浸入熔融锂-钾碳酸盐、氢氧化钾与磷酸等中，使其附着在隔膜孔内，另一则是采用全氟磺酸树脂(例如PEMFC)及YSZ(例如SOFC)。

3、集电器

集电器又称作双极板(BipolarPlate)，具有收集电流、分隔氧化剂与还原剂、疏导反应气体等之功用，集电器的性能主要取决于其材料特性、流场设计及其加工技术。

现在燃料电池的发展速度非常之快。按照各国定的计划，到2000年，日本的燃料电池发电量将接近2200兆瓦，美国的将达到500～2000兆瓦，欧洲的将达到500～900兆瓦。到2010年，全世界燃料电池的总装机容量将达到60000兆瓦。燃料电池作为一种新型能源，现在造价还比较高，寿命还不够长，功率还比较小。但是，随着有关研究工作的深入，这些问题将会得到解决。许多科学家认为，在21世纪知识经济时代，燃料电池在能源领域里将占举足轻重的地位，因此，掌握第四代发电技术，研制和发展燃料电池具有跨世纪的意义。

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