燃料電池

燃料電池是將燃料的化學能直接轉(zhuǎn)化為電能的化學裝置，也稱為電化學發(fā)電機。它是繼水力發(fā)電、繼火力發(fā)電和原子能發(fā)電之后的第四種發(fā)電技術(shù)。由于燃料電池通過電化學反應(yīng)將燃料化學能中的吉布斯自由能部分轉(zhuǎn)化為電能，不受卡諾循環(huán)效應(yīng)的限制，因此效率高;此外，燃料電池同時使用燃料和氧氣作為機械傳動部件，因此沒有噪音原料，有害氣體的排放也很少；聲污染。因此，從節(jié)能和保護生態(tài)環(huán)境的角度來看，燃料電池是最有前途的發(fā)電技術(shù)。

通過電化學反應(yīng)將燃料和氧化劑的化學能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。理論上，燃料電池可以在接近100℃的溫度下工作%熱效率下運行，具有較高的經(jīng)濟性。目前由于各種技術(shù)因素的限制，考慮到整個裝置系統(tǒng)的能耗，總轉(zhuǎn)換效率大多為45%～60%在此范圍內(nèi)，如果考慮熱量利用，可以達到80%以上。此外，燃料電池裝置不包含或包含很少的運動部件，其運行可靠，需要更少的維護，并且比傳統(tǒng)的發(fā)電機組更安靜。此外，電化學反應(yīng)是清潔的、完全，很少產(chǎn)生有害物質(zhì)。這些都使得燃料電池被認為是一種很有前途的能源動力裝置。

燃料電池是一種電化學發(fā)電裝置，在等溫溫度下以電化學方式直接將化學能轉(zhuǎn)化為電能，不經(jīng)過熱機過程，不受卡諾循環(huán)的限制，因此能量轉(zhuǎn)化效率高，無噪音，無污染，正成為一種理想的能源利用方式。同時，隨著燃料電池技術(shù)的不斷成熟和西氣東輸工程提供的充足天然氣源，燃料電池的商業(yè)化應(yīng)用具有廣闊的發(fā)展前景。

燃料電池是一種能量轉(zhuǎn)換裝置，根據(jù)電化學原理，也就是原電池的工作原理，將儲存在燃料和氧化劑中的化學能直接轉(zhuǎn)化為電能，所以實際過程是氧化還原反應(yīng)。燃料電池主要由四部分組成，即陽極、陰極、電解液和外部電路。燃料氣體和氧化氣體分別從燃料電池的陽極和陰極引入。燃料氣體在陽極釋放電子，電子通過外電路傳導到陰極，與氧化氣體結(jié)合產(chǎn)生離子。在電場的作用下，離子通過電解質(zhì)遷移到陽極，與燃氣反應(yīng)形成回路，產(chǎn)生電流。同時，由于自身的電化學反應(yīng)和電池的內(nèi)阻，燃料電池也會產(chǎn)生一些熱量。電池的陰、陽極和陰極不僅傳導電子，還充當氧化還原反應(yīng)的催化劑。當燃料是碳氫化合物時，要求陽極具有較高的催化活性。陰、陽極和陰極通常是多孔結(jié)構(gòu)，以便于引入反應(yīng)氣體和排出產(chǎn)物。電解質(zhì)可以轉(zhuǎn)移離子和分離燃料氣體、氧化氣的作用。為了防止兩種氣體混合造成電池短路，電解液通常具有致密的結(jié)構(gòu)。

燃料電池的原理是一種電化學裝置，其成分與一般電池相同。它的單個電池由正極和負極組成(負電極是燃料電極，正電極是氧化劑電極)以及電解質(zhì)組成。不同的是，一般電池中的活性物質(zhì)都儲存在電池中，從而限制了電池容量。而燃料電池的正、負電極本身不包含活性材料，而僅僅是催化轉(zhuǎn)化元件。因此，燃料電池是名副其實的能量轉(zhuǎn)換機，將化學能轉(zhuǎn)化為電能。電池工作時，從外部供給燃料和氧化劑進行反應(yīng)。原則上，只要不斷地輸入反應(yīng)物，不斷地排出反應(yīng)產(chǎn)物，燃料電池就能不斷地發(fā)電。

燃料電池的主要部件是：電極（electrode）電解質(zhì)隔膜（Electrolyte   membrane）與集電器（Current   collector）等。

1、電極

燃料電池的電極是發(fā)生燃料氧化反應(yīng)和氧化劑還原反應(yīng)的電化學反應(yīng)場所，其性能取決于催化劑的性能、電極材料和電極制造工藝等。

電極可以分為兩部分，一部分是陽極（Anode），另一為陰極（Cathode），厚度一般為200－500mm；其結(jié)構(gòu)與一般電池的平板電極不同之處在于燃料電池的電極是多孔的，所以設(shè)計多孔結(jié)構(gòu)的主要原因是燃料電池中使用的燃料和氧化劑大部分是氣體（例如氧氣、氫氣等）但是氣體在電解液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，減少極化，開發(fā)了多孔電極，增加參與反應(yīng)的電極表面積，這是燃料電池能夠從理論研究階段進入實用階段的重要關(guān)鍵原因之一。

目前，高溫燃料電池的電極主要由催化材料制成，如固體氧化物燃料電池（簡稱SOFC）的Y2O3－stable－ZrO2（簡稱YSZ）和熔融碳酸鹽燃料電池（簡稱MCFC）氧化鎳電極等而低溫燃料電池主要由氣體擴散層支撐的催化劑材料薄層組成，例如磷酸燃料電池（簡稱PAFC）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)膜的主要作用是隔離氧化劑和還原劑，傳導離子，所以電解質(zhì)膜越薄越好，但強度也要考慮就目前的技術(shù)而言，其厚度一般在幾十毫米到幾百毫米左右；至于材料，目前主要有兩個發(fā)展方向一種是先用石棉（asbestos）膜、碳化硅SiC膜、鋁酸鋰（LiAlO3）隔膜和其他絕緣材料制成多孔隔膜，然后浸入熔融鋰中－鉀碳酸鹽、氫氧化鉀和磷酸等，貼在隔膜孔上，另一種是全氟磺酸樹脂（例如PEMFC）及YSZ（例如SOFC）

3、集電器

集流體也稱為雙極板（Bipolar   plate），具有收集電流、將氧化劑和還原劑分開、集電器的性能主要取決于其用于轉(zhuǎn)移反應(yīng)氣體的材料特性、流場設(shè)計及其加工技術(shù)。

堿性燃料電池(AFC)是最早發(fā)展起來的燃料電池技術(shù)，于20世紀60年代成功應(yīng)用于航天領(lǐng)域。磷酸型燃料電池(PAFC)也是目前應(yīng)用最成熟的第一代燃料電池技術(shù)，已經(jīng)進入商業(yè)應(yīng)用和量產(chǎn)。由于成本較高，目前只能作為區(qū)域電站現(xiàn)場供電、供熱。熔融碳酸燃料電池(MCFC)是第二代燃料電池技術(shù)，主要用于設(shè)備發(fā)電。固體氧化物燃料電池(SOFC)以其全固態(tài)結(jié)構(gòu)、更高的能效和更好的燃氣性能、天然氣、混合氣體和其他燃料氣體具有適應(yīng)性廣發(fā)展最快應(yīng)用廣泛等突出特點，成為第三代燃料電池。

目前，正在開發(fā)的商用燃料電池包括質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)其能效和能量密度高，體積和重量小，冷啟動時間短，運行安全可靠。另外，由于使用的電解質(zhì)膜是固體，可以避免電解質(zhì)腐蝕。燃料電池技術(shù)的研發(fā)取得了很大進展，技術(shù)逐漸成熟，并在一定程度上實現(xiàn)了商業(yè)化。作為21世紀的高科技產(chǎn)品，燃料電池已經(jīng)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)已經(jīng)引起了世界各國政府的重視。

中國 美國的燃料電池研究始于20世紀50年代末，國內(nèi)燃料電池研究的第一個高峰出現(xiàn)在70年代，主要是國家投入的用于航空航天的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.中國 美國燃料電池的研究在20世紀80年代處于低谷20世紀90年代以來，隨著國外燃料電池技術(shù)的巨大進步，我國形成了新一輪的燃料電池研究熱潮.1996年舉行的第59屆香山科學大會專門進行了討論“燃料電池的研究現(xiàn)狀及未來發(fā)展”鑒于國外PAFC技術(shù)成熟，進入商品開發(fā)階段，中國重點研發(fā)PEMFC、MCFC和SOFC.中國科學院將燃料電池技術(shù)列為“九五”國家科委還將包括DAFC在內(nèi)的燃料電池技術(shù)列入了該所的重大專項支持項目“九五”十五”攻關(guān)、( 863)973”等重大計劃之中。燃料電池的發(fā)展是一項龐大的系統(tǒng)工程，“官、產(chǎn)、研”組合是國際燃料電池研發(fā)的顯著特點，也是必由之路。目前中國政府高度重視，研究單位眾多，有多年的人才儲備和科研積累，工業(yè)部門的興趣日益增加，需求迫切，這些都為燃料電池在中國的快速發(fā)展帶來了無限生機.