燃料動力電池的原理

燃料動力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。燃料動力電池重要由四部分組成，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動力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并與氧化氣結合生成離子。離子在電場用途下，通過電解質遷移到陽極上，與燃料氣反應，構成回路，出現電流。同時，由于本身的電化學反應以及電池的內阻，燃料動力電池還會出現一定的熱量。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，以便于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、氧化氣的用途。為阻擋兩種氣體混合導致電池內短路，電解質通常為致密結構。

燃料動力電池的組成結構

燃料動力電池的重要構成組件為：電極（Electrode）、電解質隔膜（ElectrolyteMembrane）與集電器（CurrentCollector）等。

1、電極

燃料動力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于觸媒的性能、電極的材料與電極的制程等。

電極重要可分為兩部分，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，在于燃料動力電池的電極為多孔結構，所以設計成多孔結構的重要原因是燃料動力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，為了提高燃料動力電池的實際工作電流密度與降低極化用途，故發展出多孔結構的的電極，以新增參與反應的電極表面積，而此也是燃料動力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。

目前高溫燃料動力電池之電極重要是以觸媒材料制成，例如固態氧化物燃料動力電池（簡稱SOFC）的Y2O3－stabilized－ZrO2（簡稱YSZ）及熔融碳酸鹽燃料動力電池（簡稱MCFC）的氧化鎳電極等，而低溫燃料動力電池則重要是由氣體擴散層支撐一薄層觸媒材料而構成，例如磷酸燃料動力電池（簡稱PAFC）與質子交換膜燃料動力電池（簡稱PEMFC）的白金電極等。

2、電解質隔膜

電解質隔膜的重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，目前重要朝兩個發展方向，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，集電器的性能重要取決于其材料特性、流場設計及其加工技術。