燃料电池技术的进展与应用

2019.10Vol.43

No.10研究与设计

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简述燃料电池的基本工作原理及主要用途

1.燃料电池的工作原理

燃料电池是一种按电化学原理，即原电池的工作原理，等温地把贮存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的能量转换装置。其单体电池是由电池的正极(即氧化剂发生还原反应的阴极)、负极(即还原剂或燃料发生氧化反应的阳极)和电解质构成，燃料电池与常规电池的不同之处在于，它的燃料和氧化剂不是贮存在电池内，而是贮存在电池外部的贮罐内，不受电池容量的限制，工作时燃料和氧化剂连续不断地输入电池内部，并同时排放出反应产物。

以磷酸型燃料电池为例，其反应式为：

燃料极(阳极) H2→2H++2e-

空气极(阴极) 1／2O2+2H++2e-→H2O

综合反应式 H2+1／2O2→H2O

以上反应式表示：燃料电池工作时向负极供给燃料(氢)，向正极供给氧化剂(空气)，燃料(氢)在阳极被分解成带正电的氢离子(H+)和带负电的电子(e-)，氢离子(H+)在电解质中移动与空气极侧提供的O2发生反应，而电子(e-)通过外部的负荷电路返回到空气极侧参与反应，连续的反应促成了电子(e-)连续地流动，形成直流电，这就是燃料电池的发电过程，也是电解反应的逆过程。

2. 燃料电池的应用

2.1能源发电

燃料电池电站的每一套设备都包括了一整套采用天然气发电的电力系统。分为以下几个分单元：①燃料电池组②燃气制备③空气压缩机④水再生利用⑤逆变器⑥测量与控制系统。燃料电池组产生的直流电通过逆变器转换成电力系统所需的交流电。各国工业界人士普遍对于燃料电池在发电站的应用前景看好。

10.16638/ki.1671-7988.2017.21.038

氢燃料电池的研究进展

胡庆松

（华北水利水电大学，河南 郑州 450046）

摘 要：氢燃料电池是一种将燃料和氧化剂的化学能连续地转化为电能的装置。氢燃料电池以化学方式实现能量转

换，不受热发动机卡诺循环的限制，具有较高的转换效率。文章介绍了氢燃料电池的分类、工作原理与优缺点，以

及PEMFC商业化发展的瓶颈问题，展望其发展前景。

关键词：氢燃料电池；转换效率；瓶颈问题

中图分类号：U461.99 文献标识码：A 文章编号：1671-7988 (2017)21-114-03

Research Progress of Hydrogen Fuel Cell

Hu Qingsong

( North China University of Water Resources and Electric Power, Henan Zhengzhou 450046 )

Abstract: Hydrogen fuel cell was a device that could convert the chemical energy of fuel and oxidant into electrical

energy.The hydrogen fuel cell realized the energy conversion in a chemical way, which was not limited by the Kano cycle

of the engine, and it had high conversion efficiency.This paper introduces the classification, working principle, advantages

and disadvantages of hydrogen fuel cell, as well as the bottleneck of PEMFC commercialization development, and looks

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。