燃料电池(Fuel Cell)

燃料电池(Fuel Cell)是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能

的发电装置。燃料和空气分别送进燃料电池，电就被奇妙地生产出来。它从外表

上看有正负极和电解质等，像一个蓄电池，但实质上它不能“储电”而是一个“发

电厂”。

燃料电池涉及化学热力学、电化学、电催化、材料科学、电力系统及自动控制等

学科的有关理论，具有发电效率高、环境污染少等优点。总的来说，燃料电池具

有以下特点：能量转化效率高；它直接将燃料的化学能转化为电能，中间不经过

燃烧过程，因而不受卡诺循环的限制。燃料电池系统的燃料—电能转换效率在

45%～60%，而火力发电和核电的效率大约在30%～40%。安装地点灵活；燃料电

池电站占地面积小，建设周期短，电站功率可根据需要由电池堆组装，十分方便。

燃料电池无论作为集中电站还是分布式电站，或是作为小区、工厂、大型建筑的

独立电站都非常合适。负荷响应快，运行质量高；燃料电池在数秒钟内就可以从

最低功率变换到额定功率。

组件

燃料电池的主要构成组件为：电极（Electrode）、电解质隔膜（Electrolyte

Membrane）与集电器（Current Collector）等。

1、电极

燃料电池的电极是燃料发生氧化反应与氧化剂发生还原反应的电化学反应

场所，其性能的好坏关键在于触媒的性能、电极的材料与电极的制程等。

电极主要可分为两部分，其一为阳极（Anode），另一为阴极（Cathode），厚

度一般为200－500mm；其结构与一般电池之平板电极不同之处，在于燃料电池

的电极为多孔结构，所以设计成多孔结构的主要原因是燃料电池所使用的燃料及

氧化剂大多为气体（例如氧气、氢气等），而气体在电解质中的溶解度并不高，

为了提高燃料电池的实际工作电流密度与降低极化作用，故发展出多孔结构的的

电极，以增加参与反应的电极表面积，而此也是燃料电池当初所以能从理论研究

阶段步入实用化阶段的重要关键原因之一。

目前高温燃料电池之电极主要是以触媒材料制成，例如固态氧化物燃料电池

（简称SOFC）的Y2O3－stabilized－ZrO2（简称YSZ）及熔融碳酸盐燃料电池

（简称MCFC）的氧化镍电极等，而低温燃料电池则主要是由气体扩散层支撑一

薄层触媒材料而构成，例如磷酸燃料电池（简称PAFC）与质子交换膜燃料电池

（简称PEMFC）的白金电极等。

2、电解质隔膜

电解质隔膜的主要功能在分隔氧化剂与还原剂，并传导离子，故电解质隔膜

越薄越好，但亦需顾及强度，就现阶段的技术而言，其一般厚度约在数十毫米至

数百毫米；至于材质，目前主要朝两个发展方向，其一是先以石棉（Asbestos）

膜、碳化硅SiC膜、铝酸锂（LiAlO3）膜等绝缘材料制成多孔隔膜，再浸入熔融

锂－钾碳酸盐、氢氧化钾与磷酸等中，使其附着在隔膜孔内，另一则是采用全氟

磺酸树脂（例如PEMFC）及YSZ（例如SOFC）。

3、集电器

集电器又称作双极板（Bipolar Plate），具有收集电流、分隔氧化剂与还原

剂、疏导反应气体等之功用，集电器的性能主要取决于其材料特性、流场设计及

其加工技术。

特点与原理

由于燃料电池能将燃料的化学能直接转化为电能，因此，它没有像通常的火力发

电机那样通过锅炉、汽轮机、发电机的能量形态变化，可以避免中间的转换的损

失，达到很高的发电效率。同时还有以下一些特点：

不管是满负荷还是部分负荷均能保持高发电效率；

不管装置规模大小均能保持高发电效率；

具有很强的过负载能力；

通过与燃料供给装置组合的可以适用的燃料广泛；

发电出力由电池堆的出力和组数决定，机组的容量的自由度大；

电池本体的负荷响应性好，用于电网调峰优于其他发电方式；

用天然气和煤气等为燃料时，NOX及SOX等排出量少，环境相容性优。

氢-氧燃料电池反应原理这个反应是电解水的逆过程。电极应为：

负极：H2 +2OH-→2H2O +2e-

正极：1/2O2 H2O 2e-→2OH-

电池反应：H2 1/2O2==H2O

另外，只有燃料电池本体还不能工作，必须有一套相应的辅助系统，包括反应剂

供给系统、排热系统、排水系统、电性能控制系统及安全装置等。

分类

燃料电池可分为很多种类型。按燃料的处理方式的不同，可分为直接式、间接式

和再生式。直接式燃料电池按温度的不同又可分为低温、中温和高温三种类型。

间接式的包括重整式燃料电池和生物燃料电池。再生式燃料电池中有光、电、热、

放射化学燃料电池等。按照电解质类型的不同，可分为碱型、磷酸型、聚合物型、

熔融碳酸盐型、固体电解质型燃料电池。

优缺点

燃料电池的优势，科技手段中，尚没有一项能源生成技术能如燃料电池一样将诸

多优点集合于一身。

能源安全性。

高可靠度供电。

燃料多样性。

高效能。

环境亲和性。

可弹性设置/用途广。