燃料電池的結構組成與應用領域

燃料電池是一種將存在于燃料與氧化劑中的化學能直接轉化為電能的發電裝置。燃料和空氣分別送進燃料電池，電就被奇妙地生產出來。它從外表上看有正負極和電解質等，像一個 蓄電池，但實質上它不能“儲電"而是一個“發電廠"。但是，它需要電極和電解質以及氧化還原反應才能發電。

燃料電池的結構組成：


燃料電池的主要構成組件為：電極（Electrode）、 電解質隔膜（Electrolyte Membrane）與 集電器（Current Collector）等。


1、電極


燃料電池的電極是燃料發生氧化反應與氧化劑發生還原反應的電化學反應場所，其性能的好壞關鍵在于觸媒的性能、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；其結構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構，所以設計成多孔結構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，故發展出多孔結構的的電極，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，例如固態氧化物燃料電池（簡稱SOFC）的Y 2O 3－stabilized－ZrO 2（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成，例如磷酸燃料電池（簡稱PAFC）與質子交換膜燃料電池（簡稱PEMFC）的白金電極等。 [4]


2、電解質 隔膜


電解質隔膜的主要功能在分隔氧化劑與還原劑，并傳導離子，故電解質隔膜越薄越好，但亦需顧及強度，就現階段的技術而言，其一般厚度約在數十毫米至數百毫米；至于材質，目前主要朝兩個發展方向，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，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、流場設計及其加工技術。

燃料電池的應用領域：


燃料電池用途廣泛，既可應用于軍事、空間、發電廠領域，也可應用于機動車、移動設備、居民家庭等領域。早期燃料電池發展焦點集中在軍事空間等專業應用以及千瓦級以上分散式發電上。電動車領域成為燃料電池應用的主要方向，市場已有多種采用燃料電池發電的自動車出現。另外，透過小型化的技術將燃料電池運用于一般消費型電子產品也是應用發展方向之一，在技術的進步下，未來小型化的燃料電池將可用以取代現有的鋰電池或鎳氫電池等高價值產品，作為用于筆記本電腦、無線電電話、錄像機、照相機等攜帶型電子產品的電源。近20多年來，燃料電池經歷了堿性、磷酸、熔融碳酸鹽和固體氧化物等幾種類型的發展階段，燃料電池的研究和應用正以極快的速度在發展。在所有燃料電池中，堿性燃料電池（AFC）發展速度快，主要為空間任務，包括航天飛機提供動力和飲用水；質子交換膜燃料電池（PEMFC）已廣泛作為交通動力和小型電源裝置來應用；磷酸燃料電池（PAFC）作為中型電源應用進入了商業化階段，是民用燃料電池的shou選；熔融碳酸鹽型燃料電池（MCFC）也已完成工業試驗階段；起步較晚的固態氧化物燃料電池（SOFC）作為發電領域有應用前景的燃料電池，是未來大規模清潔發電站的優選對象。

文章來源： ofweek鋰電網
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