解析：燃料電池的優點及關鍵技術

燃料電池是直接把燃料的化學能轉換為電能的裝置。它是一種很有發展前途的潔淨和高效的發電方式，被稱為21世紀的分散式電源。燃料電池的工作原理頗似電解水的逆過程。氫基燃料送入燃料電池的陽極（電源的負極）轉變為氫離子，空氣中的氧氣送入燃料電池的陰極（電源的正極），負氧離子透過2極間離子導電的電解質到達陽極與氫離子結合成水，外電路則形成電流。

通常，完整的燃料電池發電系統由電池堆、燃料供給系統、空氣供給系統、冷卻系統、電力電子換流器、保護與控制及儀表系統組成。其中，電池堆是核心。低溫燃料電池還應配備燃料改質器（又稱為燃料重整器）。高溫燃料電池具有內重整功能，無須配備重整器。

磷酸型燃料電池（PAFC）是目前技術成熟、已商業化的燃料電池。現在已能生產大容量加壓型11 MW的裝置及行動式250 kW等各種裝置。第2代燃料電池的熔融碳酸鹽電池（MCFC），工作在高溫（600～700 ℃）下，重整反應可以在內部進行，可用於規模發電，現在正在進行兆瓦級的驗證試驗。固體電解質燃料電池（SOFC）被稱為第3代燃料電池。由於電解質是氧化鋯等固體電解質，未來可用於煤基燃料發電，質子交換膜燃料電池是最有希望的電動車電源。燃料電池有以下優點：

1）有很高的效率，以氫為燃料的燃料電池，理論發電效率可達100%。熔融碳酸鹽燃料電池，實際效率可達584%。透過熱電聯產或聯合迴圈綜合利用熱能，燃料電池的綜合熱效率可望達到80%以上。燃料電池發電效率與規模基本無關，小型裝置也能得到高效率。

2）處於熱備用狀態，燃料電池跟隨負荷變化的能力非常強，可以在1 s內跟隨50%的負荷變化。

3）噪音低；可以實現實際上的零排放；省水。

4）安裝週期短，安裝位置靈活，可省去新建輸配電系統。

目前燃料電池大規模應用的障礙是造價高，在經濟性上要與常規發電方式競爭尚需時日。燃料電池的技術關鍵涉及電池效能、壽命、大型化、價格等與商業化有關的專案，主要涉及新的電解質材料和催化劑。熔融碳酸鹽電池（MCFC）在高溫條件下液體電解質的損失和腐蝕滲漏降低了電池的壽命，使MCFC的大型化及實用化受到限制。需要解決電池構成材料的腐蝕；電極細孔構造變化使電池效能下降等問題。

固體氧化物燃料電池（SOFC）使用固體電解質且工作溫度很高，對構成材料及其加工有特殊要求。為了得到高溫下化學性穩定和緻密性（不透過氣體）的電解質，在氧化鋯中加入Y2O3生成釔穩定氧化鋯。為了降低工作溫度，應儘可能減少電解質薄膜厚度。通常採用熔射法、燒結法和電化學蒸發塗層法制備電解質薄膜。

實用的電解質膜的厚度為0。03～0。05 mm。比較先進的已達到0。01 mm。這樣薄的電解質陶瓷材料除應當有足夠的機械強度外，必須具有高度的氣體緻密性，否則將喪失燃料電池的效能。燃料極使用鎳鋯等耐熱金屬陶瓷，鎳還用作燃料重整的催化劑，空氣極在執行中處在高溫氧化中，難以使用一般金屬。鉑的穩定性好，但費用昂貴，需要尋找替代材料，可用電子導電陶瓷。為了降低工作溫度，另外一個重要的研究方向是尋找低溫的質子導電的電解質。工作溫度倘若能降低到700 ℃以下，SOFC的造價就可以大幅度降低。