燃料電池多面睇



隨著化石燃料日漸枯竭,加上這些燃料在輸送和使用的過程中所產生的種種問題,以及引起的全球溫室效應,造成南北極的冰山融化和生態環境被破壞等現象。人類除了應更加善用現有能源外,開發環保的能源儲存及能源轉換的技術實是當務之急。當化石燃料使用殆盡後,可再生能源的時代隨之來臨。大家可能隨即想到太陽能、風力和水力等再生能源,但對「燃料電池」一詞就可能較陌生。本章就從不同角度介紹一下吧!
 
何謂燃料電池

英文為Fuel Cell是一種將燃料的化學能,透過電化學反應直接轉換成電能的裝置。只要持續為裝置添加燃料就可維持其電力,而其燃料是「氫」。可取自任何的碳氫化合物,例如天然氣、甲醇、乙醇(酒精)、水的電解和沼氣等。

燃料電池歷史 
最早見於1839年,由英國的格魯夫(Grove)發明,他的基本構想源自水的電解實驗,水的電解過程是用電將水分解成氫氣與氧氣。格魯夫認為將氫氣與氧氣反應,有可能逆轉電解過程而產生電。他以鉑黑(Pt)為電極催化劑製出簡單的氫氧燃料電池點亮了倫敦講演廳的照明燈。

 


燃料電池先驅者格魯夫(1811-1896)。


1889年,化學家蒙得(Mond)和藍格爾(Langer) 首度提出「燃料電池」一詞。他們把石棉網狀多孔性支持物浸入稀硫酸,以粉末鉑黑作催化劑,鉑或金作載流體,開發了電流密度為3.6mA/cm2,電壓為0.73V的燃料電池。時至今日他們的電池從結構上亦與現在的燃料電池相似。

1921年,德國人伊芭(E.Baur)以碳酸鉀和碳酸鈉的混合熔融鹽為電解液,氧化鐵為陰極,空氣作為陰極活性物質,鐵為陽極,氫為陽極活性物質構成燃料電池。在800℃陰極電流密度為4.1mA/cm2時,電壓為0.765V,這個電池成為今日熔融碳酸鹽燃料電池的基礎。

1932年培根(Bacon)根據斯密德(Schmid)所提出的多孔結構之氣體擴散電極概念而開發出雙孔電極,並將蒙得和藍格爾所發明的裝置加以改良製作出培根電池,實際上就是第一個鹼性燃料電池。
 

培根與他改良製作的培根電池(左)。

 

20世紀50年代有了實質性的進展,培根用高壓氫氧製成了具有實用功率水平的燃料電池。60年代初,美國研製出質子交換膜燃料電池,美國航空太空總署並將其用作太空船的主要電源。同時,兆瓦級的磷酸燃料電池也研製成功。隨著70年代出現的能源危機,以及80年代起環保意識提昇,不同型式的燃料電池被開發出來,這提昇了燃料電池的發電性能,也拓展了燃料電池的應用領域。
 

早期太空船用燃料電池。

基本結構  (中題)
以氫燃料電池而言,燃料電池包含電極,電解質薄膜和集電器(又稱雙極板)。電極是燃料氧化與氧化劑還原的電化學反應發生的場所,可分為陽極與陰極兩部份;電解質的功能是分隔氧化劑與還原劑並同時傳導質子;集電器具有收集電流、疏導反應氣體以及分隔氧化劑與還原劑的作用。

 燃料電池基本結構模擬圖。
 

工作原理
一)氫氣由燃料電池的陽極進入,氧氣(或空氣)則由陰極進入。

二)鍍在陽極那側的鉑基催化劑使原子分裂出氫電子與質子。

三)電子由陽極端經外部迴路傳至陰極,並提供電力(因電子的流動而產生)給負載使用。

四)同時,質子通過質子交換膜到達陰極。五)陰極那側的催化劑,使質子、電子及氧結合,產生水和熱。六)若想提高電壓,則將多組電池集結成電池組。
 

燃料電池運作原理解構圖。

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