燃料电池的工作原理

氢燃料电池的工作原理

燃料电池本质是水电解的“逆”装置，主要由3 部分组成，即阳极、阴极、电解质，如图 1[3]。其阳极为氢电极，阴极为氧电极。通常，阳极和阴极上都含有一定量的催化剂，用来加速电极上发生的电化学反应。两极之间是电解质。

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。

3 PEMFC 的特点及研发应用现状

燃料电池种类较多，PEMFC 以其工作温度低、启动快、能量密度高、寿命长等优点特别适宜作为便携式电源、机动车电源和中、小型发电系统。

PEMFC 发电机由本体及其附属系统构成。本体结构除上述核心单元外，还包括单体电池层叠时为防止汽、水泄漏而设置的密封件，以及压紧各单体电池所需的紧固件等。附属系统包括：燃料及氧化剂贮存及其循环单元，电池湿度、温度调节单元，功率变换单元及系统控制单元。图 2 是一个典型的PEMFC 发电系统示意图[4]。

(1) PEMFC 作为移动式电源的应用

PEMFC 作为移动式电源的应用领域分为两大类：一是可用作便携式电源、小型移动电源、车载电源等。适用于军事、通讯、计算机等领域，以满足应急供电和高可靠性、高稳定性供电的需要。实际应用是手机电池、笔记本电脑等便携电子设备、军用背负式通讯电源、卫星通讯车载电源等。二是用作自行车、摩托车、汽车等交通工具的动力电源，以满足环保对车辆排放的要求。从目前发展情况看，PEMFC 是技术最成熟的电动车动力电源。

燃料电池发展综述

摘要 本文对燃料电池的基本概念，基本工作原理和特性作了详细介绍，对其工作效率和 提高效率的方法作了定量讨论，并着重研究了在中国有广阔应用前景的熔融氧化物燃料电 池发电装置的工作情况，提出了改进方案。

关键词 燃料电池 MCFC 整体煤气化联合循环燃料电池

1 引言 能源作为现代人类文明的支柱产业之一，越来越受到人们的高度重视。目前能源利用中存 在两大问题：

（1）利用效率不高：普通的热力发电效率平均仅为 30%－40%，面对日益紧 缺的能源现状，提高能源利用效率迫在眉睫。

（2）污染严重：能源消耗中所产生的各种 废气已严重污染了环境，给人类和生物生存空间带来严重威胁。面对如此现状，研究开发 高效，节能，低污染的"绿色技术"--燃料电池成为当今一大热门话题。

由于成本过高，难以投入实际生产等原因，燃料电池（fuel cell）自从 1893 年由英 国人 W.Grove 发明以后，曾一度被遗忘，直到本世纪 60 年代后期也只能被用于阿波罗（ Apollo）和双子星座（Gemini）宇宙飞船等特殊场合。可是近年来，由于低价格催化剂的开 发，再加上许多一般发电方式不可比拟的优点，燃料电池发电特别是大规模发电厂的建设 又重新为人们所重视。 一般的火力发电是把燃料转换为热能，驱动气轮机旋转而发电，而燃料电池是把燃料 的化学能直接转变为电能的装置，省去了热机的环节。燃料电池比普通发电方式有众多优 点：1.不受热机效率（卡诺循环）的限制，从而使循环效率有了质的提高。实际效率可达 60%以上。这比普通的蒸汽发电有很大的优越性。2.产物污染少，例如：氢氧燃料电池的 最终产物只有水。3.由于无大型旋转机械，故噪音小。 目前燃料电池的发展主要有两种趋势：第一是小型化，以适应在汽车和手提电脑内使 用，主要以 PEMFC

为代表。第二种是形成规模化燃料电池发电厂，以期替代传统的火力发 电形成第四代新型能源。这方面主要以熔融碳酸盐型 MCFC 为代表。本文将重点对其进行讨 论。 2 燃料电池基本工作原理 按一般电池的表示方法，燃料电池可表示为 Re/电解质/Ox 式中，Re 表示氢，肼，烃，CO 等 活性还原剂。Ox 表示氧，过氧化氢等氧化剂；电解质为用氢氧化钾溶液，浓磷酸溶液，离 子交换膜，熔融碳酸盐等，其原理模型如图 1 所示。 比如现在设想一个用氢作燃料，用氧做氧化剂，电解质用氢氧化钾溶液的燃料电池。这个

简述质子交换膜燃料电池的工作原理

一、引言

质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）是一种高效、环保、可再生的能源转换装置，已经成为燃料电池技术发展的重要方向。本文将详细介绍PEMFC的工作原理。

二、PEMFC的基本结构

PEMFC由阳极、阴极和质子交换膜三部分组成。阳极和阴极分别由催化剂层、扩散层和电流收集层组成。质子交换膜位于阳极和阴极之间，起到隔离作用。

三、PEMFC的工作原理

1. 电化学反应

PEMFC通过氢气在阳极处发生氧化反应，产生质子和电子。同时，在阴极处发生还原反应，将氧气还原为水。整个过程如下所示：

2H2 + O2 → 2H2O

2. 质子传递

在质子交换膜中，质子可以通过水分子形成的团簇传递到阴极一侧。由于膜具有高选择性和低电导率，只有质子可以通过膜传递，而电子则需要通过外部电路流动。

3. 电子传递

在外部电路中，电子从阳极流向阴极，形成电流。由于阴极上的氧还原反应需要电子参与，因此在阴极上需要提供电子。这个过程可以通过催化剂层中的铂纳米颗粒完成。

4. 氢气供应

PEMFC需要氢气作为燃料。一般采用压缩储存的方式将氢气输送到阳极处。在阳极上，氢气通过扩散层进入催化剂层，在催化剂层上与水分子发生反应，产生质子和电子。

5. 氧气供应

PEMFC需要氧气作为还原剂。一般采用空气作为氧源，将空气输送到阴极处。在阴极上，空气通过扩散层进入催化剂层，在催化剂层上与水分子发生反应，生成水。

四、PEMFC的优点和缺点

1. 优点

（1）高效：PEMFC具有高效率、高功率密度和响应速度快等特点。

（2）环保：PEMFC只产生水和热能等无害物质。

（3）可再生：PEMFC使用氢气作为燃料，氢气可以通过电解水得到。

2. 缺点

（1）催化剂昂贵：PEMFC中的铂催化剂价格昂贵，限制了其商业化应用。

（2）寿命短：PEMFC中的催化剂易受污染和腐蚀，导致寿命较短。

氢燃料电池车工作原理

氢燃料电池车使用氢气和氧气之间的化学反应来产生电能，并将其转化为驱动车辆的动力。以下是氢燃料电池车的工作原理：

1. 氢气供应：氢气储存罐存放着高压氢气，一般通过氢气加油站进行充氢。氢气会被输送到燃料电池车的燃料电池系统中。

2. 氧气供应：氧气一般来自于空气，通过车辆前部的进气口引入。进入燃料电池系统后，氧气经过滤、压缩等处理后与氢气进行反应。

3. 化学反应：在燃料电池系统中的贵金属催化剂（通常是铂）帮助促进氢气和氧气之间的化学反应。氢气的质子在贵金属催化剂上被离子化，电子则通过电路流动，形成电流。

4. 电子流：电子流通过电路供电给电动马达，产生动力，并且通过电子流给车辆的电子设备供电。

5. 水产生：当氢气和氧气进行化学反应时，产生的主要副产品是水。水以蒸气的形式排出，也可以被车辆回收利用。

6. 无污染排放：与传统内燃机车辆相比，氢燃料电池车没有任何尾气排放，只产生水和热能。

总结起来，氢燃料电池车的工作原理是利用氢气和氧气之间的化学反应来产生电流，该电流被用于驱动电动马达并为车辆其他电子设备供电，同时只产生清洁的水和热能。