质子交换膜燃料电池原理及其应用

燃料电池用质子交换膜综述

1.1 概述

世界范围内的能源短缺问题越来越严重。对于传统的化石燃料不可再生，且使用过程中造成的环境污染严重。然而，绝大多数能量的转化是热机过程实现的，转化效率低。在过去30年里，化石燃料减少，清洁能源需求增多。寻求环保型的再生能源是21世纪人类面临的严峻的任务。因此，针对上述传统能源引来的诸多问题，提高能源的转换效率和寻求清洁新能源的研究获得越来越广泛的。

燃料电池(Fuel cell)是一种新型的能源技术，其通过电化学反应直接将燃料的化学能转化为电能[1, 2]。而且，不受地域以及地理条件的限制。近年来，燃料电池得到了长足的发展，并且在不同的领域已得到了实际的应用。

1.2 燃料电池

燃料电池不受卡诺循环的限制，理论能量转化率高(在200°C以下，效率可达80％)，实际使用效率则是普通内燃机的2~3倍，所用的燃料为氢气、甲醇和烃类等富氢物质[3]，环境友好。因此，燃料电池具有广阔的应用前景。下面从组成、分类和特点3个方面具体介绍一下燃料电池：

1.2.1 燃料电池的组成

燃料电池本质上是水电解的一个逆装置。在燃料电池中，氢和氧通过化学反应生成水，并放出电能。燃料电池基本结构主要由阳极、阴极和电解质3部分组成。通常，阳极和阴极上都含有一定量的催化剂，加速电极上的电化学反应。两极之间是电解质，电解质可分为碱性型、磷酸型、固体氧化物型、熔融碳酸盐型和质子交换膜型等五大类型。以H2/O2燃料电池为例(图1-1)：H2进入燃料电池的阳极部分，阳极上的铂层将氢气转化成质子和电子。中间的电解质仅允许质子通过到达燃料电池的阴极部分。电子则通过外线路流向阴极形成电流。氧气进入燃料电池的阴极和质子，电子相结合生成水[4]。

图1. 1燃料电池工作示意图

1.2.2燃料电池的分类

通常燃料电池根据所用电解质的不同来划分，因为它决定了燃料电池的工作温度、电极上所采用的催化剂以及发生反应的化学物质。燃料电池按电解质的不同可分为五类：碱性燃料电池、磷酸燃料电池、固体氧化物燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池和质子交换膜燃料电池。表1.1列出了上述五种燃科电池的主要特点[5]。

质子交换膜燃料电池的实际应用

质子交换膜燃料电池，听着名字就挺“高大上”的吧？感觉像是啥高科技玩意儿，但其实这东西可不复杂，它是咱们日常生活中一个非常重要的绿色能源技术。你想啊，电池基本上就是储存能量的工具，可燃料电池可不一样，它就像是一个能“吃”东西然后变电的超级小机器。你给它加上氢气，它就能生电，不污染，效率还高，简直是环保小能手！简直是新能源汽车、移动设备、甚至太空探索中的超级英雄。你要说它厉害吧，它一点也不高傲。就默默无闻地发挥着重要作用，帮助咱们抵挡雾霾和污染，呵护咱们的蓝天白云。

要是你看过新能源汽车，肯定见过那些不冒烟、不发臭的车吧？你猜怎么着？这些车背后的功臣就是质子交换膜燃料电池。要知道，传统汽车靠的是内燃机，发动机一轰，油烧着了，废气冒出来。你一看，天上就多了一层“灰蒙蒙”，空气质量立马掉线。但燃料电池车就不一样了，它“吃”的是氢气和氧气，废气什么的，根本没得说——只有水蒸气。没错，就是那么干净。你想想，开着这样的车上路，呼吸的都是新鲜空气，简直是给地球母亲送上一颗甜美的果实。更厉害的是，这种电池能充电的速度快到惊人，十来分钟就能加满，行驶的距离也不差。油电混合车？啥？燃油车？不配！燃料电池车直接亮瞎眼，秒杀一切。

说到应用，大家可能觉得这玩意儿好像是科幻电影里的道具，质子交换膜燃料电池早就被实际应用到许多领域了。想想那会儿，家里电器用的电池大部分还是蓄电池、锂电池什么的。可是这些电池有一个致命弱点——电量有限，而且充电慢，使用寿命短。燃料电池就完美解决了这个问题。举个例子，航天飞机上的燃料电池，不仅能提供动力，还能提供水给宇航员喝。这不就像是吃饭和喝水都能一体化解决了？多实用啊！

再说说移动设备吧。你看手机、笔记本电脑这些电子设备，电池没个两三年就得换一遍。而燃料电池的优势就体现在它的续航上，能量密度更高，换句话说就是相同体积下，燃料电池能存储更多的能量。用这种电池做的设备，基本上能够持续工作更长时间，给你不间断的服务。你要是有过手机电池爆炸的痛苦经历，那你一定知道传统电池的脆弱性。而燃料电池就能大大降低这类问题。因为它不像传统电池那样容易发生化学反应，基本上是“稳如老狗”。咱说的稳，并不是指它就不会有任何问题，毕竟科技这东西，有时候也会出乎意料，呵呵。

氢燃料电池的工作原理及应用前景

一、工作原理

氢燃料电池（HydrogenFuelCell）是将氢气和氧气的

化学能直接转换成电能的发电装置。其基本原理是电解水的

逆反应，把氢和氧分别供给阳极和阴极，氢通过阳极向外扩

散和电解质发生反应后，放出电子通过外部的负载到达阴

极。

以质子交换膜燃料电池（PEMFC）为例，其工作原理如

下：

(1)氢气通过管道或导气板到达阳极；

(2)在阳极催化剂的作用下，1个氢分子解离为2个

氢质子，并释放出2个电子，阳极反应为：

H2→2H++2e。

(3)在电池的另一端，氧气（或空气）通过管道或导气

板到达阴极，在阴极催化剂的作用下，氧分子和氢离子与通

过外电路到达阴极的电子发生反应生成水，阴极反应为：

1/2O2+2H++2e→H2O

总的化学反应为：H2+1/2O2＝H2O

电子在外电路形成直流电。因此，只要源源不断地向燃

料电池阳极和阴极供给氢气和氧气，就可以向外电路的负载连续地输出电能。

二、特点

1、无污染

燃料电池对环境无污染。它是通过电化学反应，而不是

采用燃烧(汽、柴油)或储能(蓄电池)方式--最典型的传统后

备电源方案。燃烧会释放像COx、NOx、SOx气体和粉尘等污

染物。如上所述，燃料电池只会产生水和热。如果氢是通过

可再生能源产生的(光伏电池板、风能发电等)，整个循环就

是彻底的不产生有害物质排放的过程。

2、无噪声

燃料电池运行安静，噪声大约只有55dB，相当于人们正

常交谈的水平。这使得燃料电池适合于室内安装，或是在室

外对噪声有限制的地方。

3、高效率

燃料电池的发电效率可以达到50%以上，这是由燃料电

池的转换性质决定的，直接将化学能转换为电能，不需要经

过热能和机械能(发电机)的中间变换。

氢是世界上最多的元素，氢气来源极其广泛并且是可再

生资源，所以用氢气作为“燃料”似乎最合适不过。

由于燃料电池是化学能直接转换为电能，相比内燃机的

燃烧作用不会产生大量废气与废热，转化效率更可超过50%

（内燃机转化效率为10%），排放物也只有水，也不会对环境温度造成影响。

质子交换膜燃料电池的工作原理

质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel

Cell,PEMFC）是一种高效、清洁的能源转换装置，其工作原理基于氢气和氧气之间的氧化还原反应，将化学能转化为电能。本文将从以下几个方面详细介绍质子交换膜燃料电池的工作原理：

1.燃料供应

质子交换膜燃料电池的燃料供应通常为氢气，氢气通过外部管道或压力容器进入燃料电池的阳极（也称为燃料电极）。在阳极，氢气被催化剂分解为带正电的氢离子（质子）和带负电的电子。这个过程被称为电离或解离。

2.氧化反应

在质子交换膜燃料电池中，氧气的氧化反应在阴极（也称为空气电极）上进行。阴极上的氧气与阳极通过质子交换膜传递过来的氢离子结合，生成水。同时，电子从阳极通过外部电路流向阴极，形成电流。

3.质子转移

质子是氢原子核，带正电荷。在质子交换膜燃料电池中，氢离子通过质子交换膜从阳极转移到阴极。这个过程是借助于质子交换膜中的水分子进行的。

4.阴极反应

在阴极，氧气与氢离子结合生成水，同时电子从阳极通过外部电路流向阴极。这个过程中，电子和氢离子分别在阴极和阳极上形成电

流。

5.电流生成

当电子和氢离子在阳极和阴极上形成电流时，就会在外电路中产生电压和电流。这个电压和电流可以用来驱动电动机或其他电子设备。质子交换膜燃料电池的输出电压通常为1伏特左右，输出电流取决于负载电阻的大小。

6.废热排放

质子交换膜燃料电池的废热排放主要来自于氧化反应和质子转移过程中产生的热量。这些热量可以通过冷却系统进行回收利用，或者以热水的形式排放到环境中。