直接燃料電池

直接燃料電池指的是直接用氣態或液態的燃料作為能源進行陽極反應，從而轉化為電能的裝置。由於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換成電能，不受卡諾循環效應的限制，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。由此可見，從節約能源和保護生態環境的角度來看，直接燃料電池是最有發展前途的發電技術。

基本介紹

• 中文名：直接燃料電池
• 外文名：Direct fuel cell
• 能源轉化：化學能轉化為電能
• 特點：陽極反應物為直接燃料

概述

燃料電池是一種電化學的發電裝置，等溫的按電化學方式，直接將化學能轉化為電能而不必經過熱機過程，不受卡諾循環限制，因而能量轉化效率高，且無噪音，無污染，正在成為理想的能源利用方式。同時，隨著燃料電池技術不斷成熟，以及西氣東輸工程提供了充足天然氣源，燃料電池的商業化套用存在著廣闊的發展前景。

將燃料與氧化劑的化學能通過電化學反應直接轉換成電能的發電裝置。燃料電池理論上可在接近100%的熱效率下運行，具有很高的經濟性。目前實際運行的各種燃料電池，由於種種技術因素的限制，再考慮整個裝置系統的耗能，總的轉換效率多在45%～60%範圍內，如考慮排熱利用可達80%以上。此外，燃料電池裝置不含或含有很少的運動部件，工作可靠，較少需要維修，且比傳統發電機組安靜。另外電化學反應清潔、完全，很少產生有害物質。所有這一切都使得燃料電池被視作是一種很有發展前途的能源動力裝置。

原理和發展

燃料電池是一種能量轉化裝置，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，電子經外電路傳導到陰極並與氧化氣結合生成離子。離子在電場作用下，通過電解質遷移到陽極上，與燃料氣反應，構成迴路，產生電流。同時，由於本身的電化學反應以及電池的內阻，燃料電池還會產生一定的熱量。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構，以便於反應氣體的通入和產物排出。電解質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短路，電解質通常為緻密結構。

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於觸媒的性能、電極的材料與電極的製程等。
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，在於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並不高，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。

（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，並傳導離子，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；至於材質，目前主要朝兩個發展方向，其一是先以石棉（Asbestos）膜、碳化矽SiC膜、鋁酸鋰（LiAlO3）膜等絕緣材料製成多孔隔膜，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，另一則是採用全氟磺酸樹脂。

（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於其材料特性、流場設計及其加工技術。

優點

燃料電池是一種直接將燃料的化學能轉化為電能的裝置。從理論上來講，只要連續供給燃料，燃料電池便能連續發電，已被譽為是繼水力、火力、核電之後的第四代發電技術。

發電效率高

燃料電池發電不受卡諾循環的限制。理論上，它的發電效率可達到85% ～90%，但由於工作時各種極化的限制，目前燃料電池的能量轉化效率約為40%～ 60%。若實現熱電聯供，燃料的總利用率可高達80%以上。

環境污染小

燃料電池以天然氣等富氫氣體為燃料時，二氧化碳的排放量比熱機過程減少40%以上，這對緩解地球的溫室效應是十分重要的。另外，由於燃料電池的燃料氣在反應前必須脫硫，而且按電化學原理髮電，沒有高溫燃燒過程，因此幾乎不排放氮和硫的氧化物，減輕了對大氣的污染。

比能量高

液氫燃料電池的比能量是鎳鎘電池的800倍，直接甲醇燃料電池的比能量比鋰離子電池(能量密度最高的充電電池)高10倍以上。目前，燃料電池的實際比能量儘管只有理論值的10%，但仍比一般電池的實際比能量高很多。

噪音低

燃料電池結構簡單，運動部件少，工作時噪聲很低。即使在11MW級的燃料電池發電廠附近，所測得的噪音也低於55dB。

燃料範圍廣

對於燃料電池而言，只要含有氫原子的物質都可以作為燃料，例如天然氣、石油、煤炭等化石產物，或是沼氣、酒精、甲醇等，因此燃料電池非常符合能源多樣化的需求，可減緩主流能源的耗竭。

可靠性高

當燃料電池的負載有變動時，它會很快回響。無論處於額定功率以上過載運行或低於額定功率運行，它都能承受且效率變化不大。由於燃料電池的運行高度可靠，可作為各種應急電源和不間斷電源使用。

易於建設

燃料電池具有組裝式結構，安裝維修方便，不需要很多輔助設施。燃料電池電站的設計和製造相當方便。