1.2燃料电池

1.2.1燃料电池原理及组成

1、燃料电池原理燃料电池是一种发电装置，能将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为

电能[13]。将燃料和空气分别送进燃料电池，进行氧化还原反应，从而产生电。原则上只要反应物不断输入，反应产物不断排除，燃料电池就能不断地发电[14]。以氢—氧燃料电池为例，图1-1为燃料电池反应示意图氢—氧燃料电池电极反应如下：

负极反应：H2+2OH-→2H2O+2e- (1-1)

正极反应：1/2O2+H2O+2e-→2OH- (1-2)

电池总反应：H2+1/2O2→H2O (1-3)

图1-1 燃料电池反应示意图

在燃料极中，供给的燃料气体中的氢气分解成氢离子和电子，氢离子移动到电解质中，并与空气极侧的氧气发生反应,电子经由外部的负荷回路，然后再返回到空气极侧，参与到空气极侧的反应中[15]。这一系列的反应促成了电子不间断地经由外部回路，因而就构成了发电的整个过程。并且从上式的反应式（1-3）中可以看出，氢气和氧气反应生成水，除此之外，并没有其他的反应，氢气中所具有的化学能全都转变成了电能[16]。但实际上，电极反应的发生必然伴随着一

定的电阻，从而产生一部分的热能，因此减少了转换成电能的比例。而引起这些反应的一组电池称之为组件，产生的电压通常是低于1V。因此，为了获得高电压堆从而获得大的出力，则需采用多层组件迭加的办法获得。分离组件间的电气连接以及燃料气体和空气之间的部件则是采用了上下两面中均备有气体流路的隔板，而磷酸盐燃料电池（PAFC）和质子交换膜燃料电池（PEMFC）的隔板均由碳材料组成。总的电压和电流的乘积决定了堆的出力，而电流与电池中的反应面积成比例，故堆的出力与电池中的反应面积有关。

2、燃料电池的组成燃料电池由以下四部分组成：

（1）电极：是发生氧化还原反应的场所，电极包括正极和负极，其中正极发生还原反应，负极发生氧化反应。

（2）电解质：电解质大多采用的是氧化物陶瓷材料，是燃料电池的核心组件之一。

（3）连接体：连接体的作用是连接单电池，同时将燃料和空气隔绝开。

（4）燃料：燃料电池的燃料既可以是气态，也可以是液态，但在少数情况下，固态碳也可以作为燃料电池的燃料。

1.2.2 燃料电池的优缺点及分类

1、燃料电池的优缺点优点：

（1）能量转化效率高；它可直接将燃料的化学能转化为电能，中间不经过燃烧过程，因而不受卡诺循环的限制[17]；

（2）安装地点灵活；燃料电池电站占地面积小，建设周期短，电站功率可根据需要由电池堆组装，十分方便；

（3）负荷响应快速，运行质量高；在数秒钟内燃料电池就可以从最低功率变换到额定功率；

（4）在满负荷或是部分负荷的情况下均能保持高发电效率；

（5）不管装置规模或大或小都可以保持高发电效率；

（6）过负载的能力很强；与燃料供给装置组合的燃料电池有广泛的可以适用的燃料；

（7）以天然气和煤气等为燃料时，NOx及SOx等气体排出量较少，环境相容性优；

（8）燃料电池的发电设备具有散布性的特质，它可以使地区的电力输配架构摆脱中央发电站式的电力输配架构。而长距离、高电压的输电网络容易成为军事行动的主要目标。燃料电池设备可以采用集中性的配置也可以采用分散性的配置，进而降低了敌人想要瘫痪国家供电系统的风险。