燃料電池及其關鍵材料發展趨勢

www.guilinhy.com 來源：慧聰網　　　電動車商情網作者：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發現燃料電池原理，至于真正的實用化，則是追溯到上世紀六十年代，才實際應用在航天及太空上。并于上世紀八十年代起在環保、節能等全球議題下，美國、日本、加拿大、韓國及西歐各國等多達數百家公司及研究機構積極投入，開始進入民用市場(Rialto)的研究開發，到了上世紀末幾乎每個月都有新專利產生，而目前已幾乎可以說沒有不可克服的技術障礙，至于在商業上，目前的主要應用課題之一是成本過高，預期未來(Futura)在關鍵材料與組件技術不斷改進及量產技術成熟后，成本將迅速下降而達到商業化之目的。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，其將燃料中的化學能“直接”轉換成電能的作功原理，不同于一般的發電機將化學能（或輻射能）轉換成熱能之后，再轉換成動能推動發電機產生電力等需要經過多重的能量轉換，因此轉換效率上限不受“卡諾循環（Ｃａｒｎｏｔｃｙｃｌｅ）”的限制，而可以很高。燃料電池若依操作溫度區分，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、關鍵材料及組件產品技術趨勢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還原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，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（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，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。三、結論與建議燃料電池與傳統二次電池比較，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、信息終端產品研發方面受到極大的重視，這些應用領域對燃料電池的輸出功率要求較小，使用壽命較短，電解質、隔離膜與電極等的技術層次要求亦較低。正是這些因素使得３Ｃ電子產品被視為未來(Futura)燃料電池市場(Rialto)成長之主要驅動力，唯目前的主要關鍵課題在相關技術及材料的開發尤其是電解質隔膜材料技術之突破　，將是未來(Futura)可否實現３Ｃ應用領域商品化的重要觀察重點之一。