燃料電池及其關(guān)鍵材料發(fā)展趨勢

xrprotector.com 來源：慧聰網(wǎng)　　　電動車商情網(wǎng) 作者：俠名類別：電動車維修時間：2004-7-8 1

燃料電池（ＦｕｅｌＣｅｌｌ）起源于１８３８年Ｓｃｈｏｅｎｂｅｉｎ發(fā)現(xiàn)燃料電池原理，至于真正的實用化，則是追溯到上世紀(jì)六十年代，才實際應(yīng)用在航天及太空上。并于上世紀(jì)八十年代起在環(huán)保、節(jié)能等全球議題下，美國、日本、加拿大、韓國及西歐各國等多達數(shù)百家公司及研究機構(gòu)積極投入，開始進入民用市場(Rialto)的研究開發(fā)，到了上世紀(jì)末幾乎每個月都有新專利產(chǎn)生，而目前已幾乎可以說沒有不可克服的技術(shù)障礙，至于在商業(yè)上，目前的主要應(yīng)用課題之一是成本過高，預(yù)期未來(Futura)在關(guān)鍵材料與組件技術(shù)不斷改進及量產(chǎn)技術(shù)成熟后，成本將迅速下降而達到商業(yè)化之目的。一、主要燃料電池基本特性燃料電池的特點為高效率、低噪音、低污染等，其將燃料中的化學(xué)能“直接”轉(zhuǎn)換成電能的作功原理，不同于一般的發(fā)電機將化學(xué)能（或輻射能）轉(zhuǎn)換成熱能之后，再轉(zhuǎn)換成動能推動發(fā)電機產(chǎn)生電力等需要經(jīng)過多重的能量轉(zhuǎn)換，因此轉(zhuǎn)換效率上限不受“卡諾循環(huán)（Ｃａｒｎｏｔｃｙｃｌｅ）”的限制，而可以很高。燃料電池若依操作溫度區(qū)分，可大分類為低溫燃料電池（１６０－２２０℃）、中溫燃料電池（１６０－２２０℃）及高溫燃料電池（６００－１０００℃）三大種類。一般而言，燃料電池的操作溫度不同，其所使用的燃料、觸媒及氧化劑也不同，如右表所示。二、關(guān)鍵材料及組件產(chǎn)品技術(shù)趨勢燃料電池的主要構(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)與還原劑發(fā)生還原反應(yīng)的電化學(xué)反應(yīng)場所，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(gòu)成，例如磷酸燃料電池（簡稱ＰＡＦＣ）與質(zhì)子交換膜燃料電池（簡稱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(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、流場設(shè)計及其加工技術(shù)。三、結(jié)論與建議燃料電池與傳統(tǒng)二次電池比較，因具有能量密度高、無須充電、長時間使用、低噪音、低污染等特點，目前在移動通信、信息終端產(chǎn)品研發(fā)方面受到極大的重視，這些應(yīng)用領(lǐng)域?qū)θ剂想姵氐妮敵龉β室筝^小，使用壽命較短，電解質(zhì)、隔離膜與電極等的技術(shù)層次要求亦較低。正是這些因素使得３Ｃ電子產(chǎn)品被視為未來(Futura)燃料電池市場(Rialto)成長之主要驅(qū)動力，唯目前的主要關(guān)鍵課題在相關(guān)技術(shù)及材料的開發(fā)尤其是電解質(zhì)隔膜材料技術(shù)之突破　，將是未來(Futura)可否實現(xiàn)３Ｃ應(yīng)用領(lǐng)域商品化的重要觀察重點之一。