燃料电池汽车工作原理

一、燃料电池的工作原理

燃料电池是用一种特定的燃料，通过一种质子交换膜（PEMProtonExchangeMembrane）和催化层（CLCatalystLayer）而产生电流的一种装置，这种电池只要外界源源不断地供应燃料（例如氢气或甲醇），就可以提供持续电能。它的工作原理，是利用一种叫质子交换膜的技术，使氢气在覆盖有催化剂的质子交换膜作用下，在阳极将氢气催化分解成为质子，这些质子通过质子交换膜到达阴极，在氢气的分解过程中释放出电子，电子通过负载被引出到阴极，这样就产生了电能。

在阳极经过质子交换膜和催化剂的作用，在阴极质子与氧和电子相结合产生水。也就是说燃料电池内部的氢与空气中的氧进行化学反应，生成水的过程，同时产生了电流，也可以理解为是电解水的逆反应。

燃料电池在阳极除供应氢气外，同时还收集氢质子（H＋），释放电子；在阴极通过负载捕获电子产生电能。质子交换膜的功能只是允许质子H＋通过，并与阴极中的氧结合产生水。这种水在反应过程中的温度作用下，以水蒸气的形式散发在空气中（对汽车用的大功率燃料电池就要设置水的回收装置）。注意，用氢作燃料电池所生成的是纯净水可以饮用，而用甲醇作燃料生成的水溶液中可能产生甲醛之类有毒物质不能饮用。图1为燃料电池工作原理的示意图。

二、燃料电池的分类

由于人们是从不同角度来研究和开发燃料电池的，所以其种类也繁多，但目前主要有3种。

1 质子交换膜技术

质子交换膜技术（或者称聚合物电解液膜技术）——简称PEMFC（ProtonExchangeMembreneFuelCell）。由于它能提供比传统锂离子电池大约高出5～10倍的能量密度，比甲醇燃料电池也有更高的能量密度，所以，人们都看好质子交换膜技术的氢燃料电池，虽然它还存在着储存及安全等问题，但人们正在克服它，最终有望在3～5年实现可存储在像打火机大小的容器中，充一次氢气发电可供手机使用几天，它将是未来便携式电子产品供电系统的首选。

PEM燃料电池的工作原理

近年来印度的发电和输电能力已得到了显著的改善，但仍有 2.1％ 的能源缺口，并且约有 2 万个村庄没有纳入电网覆盖范围。不仅如此，通往城乡的电力供应仍旧不稳定。因此，柴油发电机被大范围地应用于分散式供电。柴油发电机（图 1 左）虽然价格低廉，但普遍效率低下，同时会对周边环境和居民的健康带来潜在危害。

图 1. 左图：为印度的电信塔供电的柴油发电机。右图：PEM 燃料电池。

为解决这一难题，印度国家化学实验室（National Chemistry Laboratory， 简称 NCL）联合印度科学与工业研究理事会（Council of Scientific and Indus­trial Research，简称 CSIR）下属的两所实验室——中央电化学研究所（Central Electrochemical Research Institute，简称

CECRI）和国家物理实验室（National Physical Laboratory，简称 NPL），着手研究清洁、高效、可靠的发电技术为电信塔供电，并期望最终能够为建筑物提供能源。

质子交换膜燃料电池（proton ex­change membrane fuel cell，简称 PEM 燃料电池或

PEMFC，见图 1）是一种兼顾了成本和污染问题的理想解决方案。如今许多应用中都能看到 PEM 燃料电池的身影，它正逐步替代传统的电力技术。燃料电池的优势明显：碳排量小、噪音低、燃料兼容性强，与其他可再生能源解决方案具有良好的互补性，因此适用于交通运输、住宅楼、办公室以及一些工业领域。PEM 燃料电池系统的总转换效率超过

30％（柴油发电机约为 22%~25%），当使用纯氢气发电时，排放物只有水蒸气。

PEM 燃料电池的工作原理

PEM 燃料电池中包含一个膜电极组件（membrane electrode assembly，简称 MEA），由气体扩散层、电极和聚合物电解质膜构成。在 MEA 内发生电化学反应，产生电能。

燃料电池的基本工作原理

燃料电池的基本工作原理我们在准备长途旅行之前，总是不会忘记检查是否随身携带了信用卡或者钱包，当然还有手机或者笔记本电脑的备用电池和充电器，它们的重要性伴随着人们对手机和笔记本电脑的依赖日益彰显。其症结所在就是电池的有限的工作时间，目前便携式电子产品使用的锂离子电池已经无法应付长时间操作的需求。一块手机普通的锂电池只能维持几天时间，笔记本电脑的电池也就几个小时。而随着无线技术和音视频功能越来越受欢迎

燃料电池的基本工作原理

我们在准备长途旅行之前，总是不会忘记检查是否随身携带了信用卡或者钱包，当然还有手机或者笔记本电脑的备用电池和充电器，它们的重要性伴随着人们对手机和笔记本电脑的依赖日益彰显。其症结所在就是电池的有限的工作时间，目前便携式电子产品使用的锂离子电池已经无法应付长时间操作的需求。一块手机普通的锂电池只能维持几天时间，笔记本电脑的电池也就几个小时。而随着无线技术和音视频功能越来越受欢迎，对电池的工作时间的要求与日俱增，传统二次电池(包括锂电池和镍电池)已经成为瓶颈，桎梏了便携式产品向更丰富功能的方向发展。

与传统二次电池相比，燃料电池的能量至少要高10倍。一个锂离子电池能提供300 Whr/L的电量密度，而甲醇燃料电池的电量密度却高达4800 Whr/L，10ml的甲醇可以保证13.5小时的通话时间或者642小时的待机时间。因此，东芝、IBM、NEC等许多国际著名的电子公司都倾注精力和财力研究燃料电池，目前世界前十大营收企业，除Walmart外，均有投资氢能或燃料电池产业。

专攻便携式应用的DMFC

理论上，燃料电池(Fuel Cell)并不是电池，只是把燃料(例如氢气)和氧化剂通过电极反应直接生成电流的装置，由于它的生成物是水，因而具有相当的环保优势。燃料电池的典型结构就是层迭电池单元的堆栈(Stack)，一个堆栈可以包含多个单独的燃料单元(图1)。而每个单元的基本结构与电解水装置相类似，包含2个正负电极(阳极和阴极)，电解质以及催化剂。阳极为氢电极，阴极为氧电极，阳极和阴极上都含有一定量的催化剂，目的是用来加速电极上发生的电化学反应。以氢氧反应为例，在阴极催化剂的作用下，一个氢分子分解成2个氢离子，同时释放出2个电子，由于阻隔膜对电子的过滤作用，电子无法通过电解质只能绕行，从而形成电流。而氢离子可以顺利通过电解质达到阴极和空气中的氧原子反应生成水(图2)。

燃料电池

燃料电池(FuelCell)是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。燃料和空气分别送进燃料电池，电就被奇妙地生产出来。它从外表上看有正负极和电解质等，像一个蓄电池，但实质上它不能“储电”而是一个“发电厂”。

燃料电池含有阳阴两个电极，分别充满电解液，而两个电极间则为具有渗透性的薄膜所构成。氢气由阳极进入供给燃料，氧气（或空气）由阴极进入电池。

电池经由催化剂的作用，使得阳极的氢原子分解成氢质子（proton）与电子（electron），其中质子进入电解液中，被氧“吸引”到薄膜的另一边，电子经由外电路形成电流后，到达阴极。在阴极催化剂之作用下，氢质子、氧及电子，发生反应形成水分子。这正是水的电解反应的逆过程，因此水是燃料电池唯一的排放物。

利用这个原理，燃料电池便可在工作时源源不断地向外部输电，为一种 "发电机"。

阳极反应 -

阴极反应

总反应

伴随着电池反应，电池向外输出电能。只要保持氢气和氧气的供给，该燃料电池就会连续不断地产生电能。

燃料电池的分类

1 按燃料电池的运行机理分

根据燃料电池的运行机理的不同，可分为酸性燃料电池和碱性燃料电池。例如磷酸燃料电池(PAFC)和液态氢氧化钾燃料电池(LPHFC)。

2按电解质种类分

根据燃料电池中使用电解质种类的不同，可分为酸性、碱性、熔融盐类或固体电解质的燃料电池。即碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)和质子交换膜燃料电池(PEMFC)等。在燃料电池中，磷酸燃料电池(PAFC)、质子交换膜燃料电池(PEMFC)可以冷起动和快起动，可以用作为移动电源，适应燃料电池电动汽车(FCEV)使用的要求，更加具有竞争力。

3按燃料类型分

燃料电池的燃料有氢气、甲醇、甲烷、乙烷、甲苯、丁烯、丁烷等有机燃料和汽油、柴油以及天然气等气体燃料，有机燃料和气体燃料必须经过重整器“重整”为氢气后，才能成为燃料电池的燃料。根据燃料电池使用燃料类型的不同，可分为直接型燃料电池、间接型燃料电池和再生型燃料电池。