详细分析燃料电池
来源：宝鄂实业
2019-09-09 07:28
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燃料电池是一种不断输入燃料进行化学反应，将化学能直接转化为电能的装置 [4]，燃料通常为甲醇、乙醇、纯氢气、天然气及汽油等。
离子交换膜燃料电池中，以氢氧为燃料的电池最常见，通过特殊催化剂使燃料与氧发生反应产生二氧化碳和水。这一过程的燃料廉价，化学反应不存在危险，二氧化碳排放量比一般方法低很多，生成的产物水无害，是一种低污染性的能源 [5]，这是现今其他动力来源望尘莫及的。目前，计算机和汽车企业开始着力于开发燃料电池以替代传统的电池电源，汽车领域中燃料电池的应用，已成为能源发展的必然趋势
作为一种能量转化装置，燃料电池是按照原电池工作原理，直接将燃料和氧化剂中储存的化学能转化为电能，其反应实质是氧化还原反应，工作原理如图 1 所示。
燃料电池主要由阳极、阴极、电解质和外部电路 4 部分组成，其阳极和阴极分别通入燃料气和氧气（空气），阳极上燃料气放出电子，外电路传导电子到阴极并与氧化气结合生成离子，在电场作用下，离子通过电解质转移到阳极上再与燃料气进行反应，最后形成回路产生电。与此同时，因为燃料自身的反应及电池存在的内阻，燃料电池也要排出一定的热量，以保持电池恒定的工作温度。从外表上看像一个蓄电池，但实质上它不能「储电」而是一个「发电厂」。
其中，阴阳极不仅可以传导电子，还能作为氧化还原反应的催化剂。为便于反应气体的通入和产物的排出，两极往往采用多孔结构。电解质则主要起到传递离子和分离燃料气、氧化气的作用，一般情况下为致密结构。
燃料电池作为一个转换装置，仅仅是将存储于燃料物质中的化学能转换成电能 [7]。从原则上讲，只要接连不断地供给化学燃料，燃料电池就可以持续不断的发电，这是继核电、水力、火力之后的第 4 代发电技术。
燃料电池成为国内外企业的关注热点，这主要是源于它自身的优点：
能量转化效率高；
燃料选择范围广；
清洁、污染少；
噪声低；
比能量高、可靠性强；
负荷响应快，具有超强的适用能力。
尽管燃料电池拥有如此多吸引人的优势，可它在运行推广过程中仍然有一些不足，主要存在的问题是 [9]：
成本较高；
功率密度仍需提高；
燃料的存储；
对于环境毒性比较敏感；
有限的工作温度兼容性。
目前，应用得较多是质子交换膜燃料电池和碱性燃料电池。质子交换膜燃料电池（PEMFC）是近些年快速发展起来的新一代燃料电池，具有较高的能量效率和能量密度、体积重量小、启动速度最快、运行安全可靠、应用最为广泛等优点，特别是在汽车方面应用较为深广，PEMFC 是正在开发的商用燃料电池。
而最早参与实际应用的燃料电池是碱性燃料电池（AFC），在 Apollo 飞船中应用的 AFC 不仅为飞船提供了动力，还为宇航员提供了饮用水。其电解质主要是氢氧化钾/氢氧化钠水溶液，可以使用较为廉价的催化剂如铁、镍、银及一些金属氧化物代替贵金属催化剂（铂等），因此材料成本较低。
2 质子交换膜燃料电池
2.1 质子交换膜燃料电池工作原理
从本质上说，PEMFC 是电解水的一个「逆」装置。电解水过程是利用外加电源使水发生电解，从而产生氢和氧；然而，燃料电池则是氢和氧发生电化学反应产生水，同时生产出电的过程。所以燃料电池的结构特征与电解水装置是如出一辙的，它主要由阳极、阴极、电解质和外部电路组成。
PEMFC 中阳极为氢电极，阴极为氧电极，阴阳极都含有一定量用来加速电极上发生电化学反应的催化剂，两极之间以质子交换膜作为电解质。
