2燃料电池简介

2。1燃料电池的基本原理和特点

燃料电池虽然和普通电池一样把化学能转换成电能供负载使用，但又和普通电池不一样。燃料电池（Fuel Cell，FC）是一种利用氧化还原反应把存储在燃料和氧化剂中的化学能直接转换成电能的发电装置。如图2。1所示，燃料电池具有正负极和电解质，看上去像一个蓄电池，但其本质不是存储电能而是转换电能。

图2。1  燃料电池原理图

燃料电池依据其工作原理可视为电化学装置，它的组成结构类似于普通电池，由正负两个电极和电解质构成，其中正极（阴极）即氧化剂电极，负极（阳极）即燃料电极。燃料电池与普通电池的区别在于普通电池一般把活性物质存储在电池内部，而燃料电池组成部件中没有活性物质，其正负极只是起催化转换作用。燃料电池工作时所需的活性物质由外界供给，原则上只要外界不断供给燃料和氧化剂这些活性物质，燃料电池就可以一直输出电能。

2。2质子交换膜燃料电池的原理和特点

质子交换膜燃料电池（PEMFC），又称为固体聚合物燃料电池，其基本工作原理可视为水电解的逆过程。若简单划分PEMFC结构，则可以视其由阳极、阴极和质子交换膜三个部分构成。PEMFC所需的燃料氢气一般取自储氢罐，然后经过减压阀、压力调节阀等装置送入阳极。在阳极催化剂的作用下，氢气失去电子解析为氢离子，氢离子可以和水结合形成水合质子，在电压和流体的作用下通过质子交换膜到达阴极，实现了质子的传递。其过程如下反应式：

由于质子交换膜只允许氢离子通过，故而氢气解析出的电子在经过外部电路时被负载收集从而形成电流做功，最后到达阴极与氧气和扩散通过质子交换膜的氢离子结合生成产物水，该反应产生的能量以热能的形式释放出来。其过程如下反应式：

故而总的电池化学反应过程如下式：

由于该反应产物为水，为了避免阴极出现水淹而使电池无法正常工作，所以需要不停的去除过多的水。同时，由于阳极需要水汽带着氢离子通过质子交换膜，所以需要不停的给阳极增湿。此外，阳极和阴极反应剩余的气体需要通过出口排放出去，其中阳极的尾气中含有未反应完全的氢气可也处理后循环利用。为了使反应可以产生并持续下去不可缺少的一个部分就是供电子流到阴极的外部电路。综上所述，质子交换膜燃料电池的原理如图2。2所示：

图2。2  质子交换膜燃料电池原理图

质子交换膜燃料电池单电池输出电压受到活化过电势、欧姆过电势、浓差过电势的影响，输出电压一般在0。6V到0。8V之间，故而在实际应用中一般把多个单电池串联，组成一个燃料电池堆，从而才能达到需求的电压水平。

一个可实用的质子交换膜燃料电池一般由膜电极（MEA）、双极板、密封垫片、端板、加温或冷却板、增湿器等组件构成。其中密封垫片起密封和间隔不同气体的作用；端板起支撑和固定作用；加温或冷却板起温控作用，使燃料电池处在合适的工作温度，提高燃料利用率和工作效率；增湿器起控湿作用，避免阴极水淹或者阳极水干。

PEMFC电堆的核心组件是双极板和膜电极（MEA）。双极板，又称为流场板，一般由固体石墨板制作，具有高密度、高强度、导电导热性能好等优点。其表面的通道不仅仅可以把反应气体扩散到电极表面，而且可以收集电流。双极板由于其材料的特性不仅仅可以起到结构支撑、防止局部温度过高、移除产物水和加湿反应气体的作用，而且与电极相容性甚好。