燃料電池的結(jié)構(gòu)組成與應(yīng)用領(lǐng)域

燃料電池是一種將存在于燃料與氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。燃料和空氣分別送進(jìn)燃料電池，電就被奇妙地生產(chǎn)出來(lái)。它從外表上看有正負(fù)極和電解質(zhì)等，像一個(gè) 蓄電池，但實(shí)質(zhì)上它不能“儲(chǔ)電"而是一個(gè)“發(fā)電廠"。但是，它需要電極和電解質(zhì)以及氧化還原反應(yīng)才能發(fā)電。

燃料電池的結(jié)構(gòu)組成：


燃料電池的主要構(gòu)成組件為：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(chǎng)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(yáng)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(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（簡(jiǎn)稱SOFC）的Y 2O 3－stabilized－ZrO 2（簡(jiǎn)稱YSZ）及熔融碳酸鹽燃料電池（簡(jiǎn)稱MCFC）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（簡(jiǎn)稱PAFC）與質(zhì)子交換膜燃料電池（簡(jiǎn)稱PEMFC）的白金電極等。 [4]


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(gè)發(fā)展方向，其一是先以石棉（Asbestos）膜、碳化硅SiC膜、鋁酸鋰（LiAlO 3）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（Bipolar Plate），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(chǎng)設(shè)計(jì)及其加工技術(shù)。

燃料電池的應(yīng)用領(lǐng)域：


燃料電池用途廣泛，既可應(yīng)用于軍事、空間、發(fā)電廠領(lǐng)域，也可應(yīng)用于機(jī)動(dòng)車、移動(dòng)設(shè)備、居民家庭等領(lǐng)域。早期燃料電池發(fā)展焦點(diǎn)集中在軍事空間等專業(yè)應(yīng)用以及千瓦級(jí)以上分散式發(fā)電上。電動(dòng)車領(lǐng)域成為燃料電池應(yīng)用的主要方向，市場(chǎng)已有多種采用燃料電池發(fā)電的自動(dòng)車出現(xiàn)。另外，透過小型化的技術(shù)將燃料電池運(yùn)用于一般消費(fèi)型電子產(chǎn)品也是應(yīng)用發(fā)展方向之一，在技術(shù)的進(jìn)步下，未來(lái)小型化的燃料電池將可用以取代現(xiàn)有的鋰電池或鎳氫電池等高價(jià)值產(chǎn)品，作為用于筆記本電腦、無(wú)線電電話、錄像機(jī)、照相機(jī)等攜帶型電子產(chǎn)品的電源。近20多年來(lái)，燃料電池經(jīng)歷了堿性、磷酸、熔融碳酸鹽和固體氧化物等幾種類型的發(fā)展階段，燃料電池的研究和應(yīng)用正以極快的速度在發(fā)展。在所有燃料電池中，堿性燃料電池（AFC）發(fā)展速度快，主要為空間任務(wù)，包括航天飛機(jī)提供動(dòng)力和飲用水；質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）已廣泛作為交通動(dòng)力和小型電源裝置來(lái)應(yīng)用；磷酸燃料電池（PAFC）作為中型電源應(yīng)用進(jìn)入了商業(yè)化階段，是民用燃料電池的shou選；熔融碳酸鹽型燃料電池（MCFC）也已完成工業(yè)試驗(yàn)階段；起步較晚的固態(tài)氧化物燃料電池（SOFC）作為發(fā)電領(lǐng)域有應(yīng)用前景的燃料電池，是未來(lái)大規(guī)模清潔發(fā)電站的優(yōu)選對(duì)象。

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