燃料电池工作原理

 

　　燃料电池是将所供燃料的化学能直接变换为电能的一种能量转换装置，是通过连续供给燃料从而能连续获得电力的发电装置。由于其具有发电效率高，适应多种燃料和环境特性好等优点，近年来已在积极地进行开发。

 

　　依据电解质的不同，燃料电池分为碱性燃料电池（AFC）、磷酸型燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）及质子交换膜燃料电池（PEMFC）等。

 

　　燃料电池不受卡诺循环限制，能量转换效率高，洁净、无污染、噪声低，模块结构、积木性强、比功率高，既可以集中供电，也适合分散供电。

 

　　基本结构与工作原理：

 

　　（1）燃料电池

 

　　燃料电池从本质上说是一种电化学装置，其基本组成与一般电池相同。

 

　　为实现较大功率的输出，燃料电池通常由若干“单体电池”组成。与普通电池类似，单体燃料电池是由正负两个电极（负极即燃料电极，正极即氧化剂电极）以及电解质组成。

 

　　不同的是一般电池的活性物质贮存在电池内部，因此，限制了电池容量。而燃料电池的正、负极本身不包含活性物质，只是个催化转换元件。因此燃料电池是名符其实的把化学能转化为电能的能量转换机器。电池工作时，燃料和氧化剂由外部供给，进行反应。原则上只要反应物不断输入，反应产物不断排出，燃料电池就能连续地发电。

 

　　下面以氢-氧燃料电池为例来说明燃料电池的基本工作原理。

 

　　电觧水的逆过程。电极应为：

 

　　负极： H2 + 2OH- →2H2O + 2e-

 

　　正极： 1/2O2 + H2O + 2e- →2OH-

 

　　电池反应：H2 + 1/2O2==H2O

 

　　另外，只有燃料电池本体还不能工作，必须有一套相应的辅助系统，包括反应剂供给系统、排热系统、排水系统、电性能控制系统及安全装置等。

 

　　燃料电池通常由形成离子导电体的电解质板和其两侧配置的燃料极（阳极）和空气极（阴极）、及两侧气体流路构成，气体流路的作用是使燃料气体和空气（氧化剂气体）能在流路中通过。

 

　　在实用的燃料电池中因工作的电解质不同，经过电解质与反应相关的离子种类也不同。PAFC和PEMFC反应中与氢离子（H+）相关，发生的反应为：

 

　　燃料极：H2 =2H+ + 2e- （1）

 

　　空气极：2H+ + 1/2O2 +2e-= H2O （2）

 

　　全体：H2+1/2O2 = H2O （3）

 

　　在燃料极中，供给的燃料气体中的H2 分解成H+ 和e- ，H+ 移动到电解质中与空气极侧供给的O2发生反应。e- 经由外部的负荷回路，再反回到空气极侧，参与空气极侧的反应。一系例的反应促成了e- 不间断地经由外部回路，因而就构成了发电。并且从上式中的反应式（3）可以看出，由H2 和O2 生成的H2O ，除此以外没有其他的反应，H2 所具有的化学能转变成了电能。但实际上，参与电化学反应的电极存在一定的电阻，电流通过时会引起了部分热能产生，由此减少了转换成电能的比例。

 

　　（2）燃料电池电动车的系统组成

 

　　组成燃料电池电动车的动力系统有三个关键零组件，即

 

　　①重组器（reformer）：将甲醇、汽油等液体燃料重组为富氢气（hydrogen-rich）气体燃料，提供予燃料电池反应。

 

　　②燃料电池（fuel cell stack）：燃料电池是燃料电池电动车的动力源，其提供氢气与空气中的氧气反应并产生电流与电压，同时产生废热（水）等副产物。

 

　　③电力转换器（inverter/converter）：将燃料电池产生的电力转换为直流电或交流电，或具备升压或降压以调整电力输出。