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(xué)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(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，因而實(shí)際過(guò)程是氧化還原反應(yīng)。燃料電池主要由四部分組成，即陽(yáng)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(yáng)極和陰極通入。燃料氣在陽(yáng)極上放出電子，電子經(jīng)外電路傳導(dǎo)到陰極并與氧化氣結(jié)合生成離子。離子在電場(chǎng)作用下，通過(guò)電解質(zhì)遷移到陽(yáng)極上，與燃料氣反應(yīng)，構(gòu)成回路，產(chǎn)生電流。同時(shí)，由于本身的電化學(xué)反應(yīng)以及電池的內(nèi)阻，燃料電池還會(huì)產(chǎn)生一定的熱量。電池的陰、陽(yáng)兩極除傳導(dǎo)電子外，也作為氧化還原反應(yīng)的催化劑。當(dāng)燃料為碳?xì)浠衔飼r(shí)，陽(yáng)極要求有更高的催化活性。陰、陽(yáng)兩極通常為多孔結(jié)構(gòu)，以便于反應(yīng)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(dǎo)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(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(chēng)SOFC）的Y2O3－stabilized－ZrO2（簡(jiǎn)稱(chēng)YSZ）及熔融碳酸鹽燃料電池（簡(jiǎn)稱(chēng)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(chēng)PAFC）與質(zhì)子交換膜燃料電池（簡(jiǎn)稱(chēng)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(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（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(shù)脂（例如PEMFC）及YSZ（例如SOFC）。

3、集電器

集電器又稱(chēng)作雙極板（BipolarPlate），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)。