什么是燃料電池

燃料電池是一種把燃料所具有的化學能直接轉(zhuǎn)換成電能的化學裝置，又稱電化學發(fā)電器。它是繼水力發(fā)電、熱能發(fā)電和原子能發(fā)電之后的第四種發(fā)電技術(shù)。由于燃料電池是通過電化學反應把燃料的化學能中的吉布斯自由能部分轉(zhuǎn)換成電能，不受卡諾循環(huán)效應的限制，因此效率高;另外，燃料電池用燃料和氧氣作為同時沒有機械傳動部件，故沒有噪原料，排放出的有害氣體極少;聲污染。由此可見，從節(jié)約能源和保護生態(tài)環(huán)境的角度來看，燃料電池是最有發(fā)展前途的發(fā)電技術(shù)。

燃料電池的原理

燃料電池是一種能量轉(zhuǎn)化裝置，它是按電化學原理，即原電池工作原理，等溫的把貯存在燃料和氧化劑中的化學能直接轉(zhuǎn)化為電能，因而實際過程是氧化還原反應。燃料電池主要由四部分組成，即陽極、陰極、電解質(zhì)和外部電路。燃料氣和氧化氣分別由燃料電池的陽極和陰極通入。燃料氣在陽極上放出電子，電子經(jīng)外電路傳導到陰極并與氧化氣結(jié)合生成離子。離子在電場作用下，通過電解質(zhì)遷移到陽極上，與燃料氣反應，構(gòu)成回路，產(chǎn)生電流。同時，由于本身的電化學反應以及電池的內(nèi)阻，燃料電池還會產(chǎn)生一定的熱量。電池的陰、陽兩極除傳導電子外，也作為氧化還原反應的催化劑。當燃料為碳氫化合物時，陽極要求有更高的催化活性。陰、陽兩極通常為多孔結(jié)構(gòu)，以便于反應氣體的通入和產(chǎn)物排出。電解質(zhì)起傳遞離子和分離燃料氣、氧化氣的作用。為阻擋兩種氣體混合導致電池內(nèi)短路，電解質(zhì)通常為致密結(jié)構(gòu)。

燃料電池的組成結(jié)構(gòu)

燃料電池的主要構(gòu)成組件為：電極（Electrode）、電解質(zhì)隔膜（ElectrolyteMembrane）與集電器（CurrentCollector）等。

1、電極

燃料電池的電極是燃料發(fā)生氧化反應與氧化劑發(fā)生還原反應的電化學反應場所，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（Anode），另一為陰極（Cathode），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(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（簡稱SOFC）的Y2O3－stabilized－ZrO2（簡稱YSZ）及熔融碳酸鹽燃料電池（簡稱MCFC）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(gòu)成，例如磷酸燃料電池（簡稱PAFC）與質(zhì)子交換膜燃料電池（簡稱PEMFC）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，并傳導離子，故電解質(zhì)隔膜越薄越好，但亦需顧及強度，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（Asbestos）膜、碳化硅SiC膜、鋁酸鋰（LiAlO3）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（例如PEMFC）及YSZ（例如SOFC）。

3、集電器

集電器又稱作雙極板（BipolarPlate），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(shè)計及其加工技術(shù)。

燃料電池的優(yōu)點

（1）燃料電池是通過燃料與氧化劑的化學反應直接將化學能轉(zhuǎn)變成電能，沒有中間的能量轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)，因而這種發(fā)電方式能量轉(zhuǎn)化效率可高達50％。還可回收發(fā)電過程中產(chǎn)生的余熱。若把產(chǎn)生的余熱再用于發(fā)電或供暖、供水等，綜合考慮效率能達到80％。

（2）燃料電池發(fā)電過程，機械部件很少，噪聲低；化學反應的排出物主要是水蒸氣等潔凈的氣體，不會污染環(huán)境。在環(huán)境污染日趨嚴重的今天，燃料電池的這個優(yōu)點尤其可貴。

（3）燃料電池中所使用的燃料，既可是天然氣、煤氣和液化燃料，也可以是甲醇、沼氣乃至木柴。可根據(jù)不同地區(qū)的具體情況，選用不同的燃料用于燃料電池的發(fā)電系統(tǒng)，這可廣開燃料來源途徑，緩解能源緊張。

（4）燃料電池從中斷運轉(zhuǎn)到再啟動，輸電能力回升速度快，并可在短時間內(nèi)增加和減少電力輸出。因此將這種發(fā)電系統(tǒng)與其他輸電網(wǎng)連接使用最為有利，可隨時補充電網(wǎng)在用電高峰時所需的部分電能。

（5）燃料電池本身為一個“組合體”，所用部件可事先在工廠生產(chǎn)，然后組裝；它的體積小，拆裝都很方便，這可節(jié)省建電站的時間。

燃料電池是新能源的希望嗎（燃料電池的原理及組成結(jié)構(gòu)）