燃料電池是新能源的希望嗎 燃料電池的原理及組成結構[朗讀]

什麼是燃料電池
燃料電池是一種把燃料所具有的化學能直接轉換成電能的化學裝置，又稱電化學發電器。它是繼水力發電、熱能發電和原子能發電之後的第四種發電技術。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;聲污染。由此可見，從節約能源和保護生態環境的角度來看，燃料電池是最有發展前途的發電技術。
燃料電池的原理
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。
燃料電池的組成結構
燃料電池的主要構成組件為：電極（electrode）、電解質隔膜（electrolytemembrane）與集電器（currentcollector）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。
目前高溫燃料電池之電極主要是以觸媒材料製成，例如固態氧化物燃料電池（簡稱sofc）的y2o3－stabilized－zro2（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。
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（例如pemfc）及ysz（例如sofc）。
3、集電器
集電器又稱作雙極板（bipolarplate），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。
燃料電池的優點
（1）燃料電池是通過燃料與氧化劑的化學反應直接將化學能轉變成電能，沒有中間的能量轉化環節，因而這種發電方式能量轉化效率可高達50％。還可回收發電過程中產生的餘熱。若把產生的餘熱再用於發電或供暖、供水等，綜合考慮效率能達到80％。
（2）燃料電池發電過程，機械部件很少，噪聲低；化學反應的排出物主要是水蒸氣等潔凈的氣體，不會污染環境。在環境污染日趨嚴重的今天，燃料電池的這個優點尤其可貴。
（3）燃料電池中所使用的燃料，既可是天然氣、煤氣和液化燃料，也可以是甲醇、沼氣乃至木柴。可根據不同地區的具體情況，選用不同的燃料用於燃料電池的發電系統，這可廣開燃料來源途徑，緩解能源緊張。
（4）燃料電池從中斷運轉到再啟動，輸電能力回升速度快，並可在短時間內增加和減少電力輸出。因此將這種發電系統與其他輸電網連接使用最為有利，可隨時補充電網在用電高峰時所需的部分電能。
（5）燃料電池本身為一個「組合體」，所用部件可事先在工廠生產，然後組裝；它的體積小，拆裝都很方便，這可節省建電站的時間。