The Principle of Hydrogen Fuel Cell 氫燃料電池原理
 
燃料電池 （fuel cell）
燃料電池是一種把燃料所具有的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能的化學(xué)裝置，由于燃料電池是通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)把燃料的化學(xué)能中的吉布斯自由能部分轉(zhuǎn)換成電能，不受卡諾循環(huán)效應(yīng)的限制，因此效率高; 另外，燃料電池用燃料和氧氣作為原料，同時(shí)沒(méi)有機(jī)械傳動(dòng)部件，故排放出的有害氣體極少，使用壽命長(zhǎng)。
 
燃料電池分類
氫燃料電池（Hydrogen Fuel Cell）是將氫氣和氧氣的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電裝置。其基本原理是電解水的逆反應(yīng)，把氫和氧分別供給陽(yáng)極和陰極，氫通過(guò)陽(yáng)極向外擴(kuò)散和電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)后，放出電子通過(guò)外部的負(fù)載到達(dá)陰極。

固體氧化物燃料電池(SOFC)是一種直接將燃料氣和氧化氣中的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能的全固態(tài)能量轉(zhuǎn)換裝置，固體氧化物燃料電池以致密的固體氧化物作電解質(zhì),在高溫800～ 1 000℃下工作。

以甲醇為燃料的質(zhì)子交換膜燃料電池(DMFC)

通常使用的分類方法都是按照燃料電池內(nèi)部電解質(zhì)的種類進(jìn)行分類：

堿性燃料電池（AFC），磷酸型燃料電池（PAFC），熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）， 固體氧化物燃料電池（SOFC），質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC），本課件僅介紹應(yīng)較普遍的質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）。
 
質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）
質(zhì)子交換膜燃料電池或稱為PEM燃料電池，或簡(jiǎn)稱PEMFC。
PEMFC屬于氫燃料電池，（PEMFC）的最大特點(diǎn)就是其工作溫度很低，在常溫下即可運(yùn)行，其電流輸出密度是AFC的十多倍，輸出功率密度更是比除了AFC之外的其它燃料電池高出五到十倍，只要可以加壓操作其輸出功率密度可以達(dá)到1~2W/cm2。PEMFC的缺點(diǎn)是必須采用昂貴的催化劑來(lái)提高反應(yīng)速度。

PEMFC發(fā)電在原理上相當(dāng)于水電解的“逆”裝置。其單電池由陽(yáng)極、陰極和質(zhì)子交換膜組成，陽(yáng)極為氫燃料發(fā)生氧化的場(chǎng)所，陰極為氧化劑還原的場(chǎng)所，兩極都含有加速電極電化學(xué)反應(yīng)的催化劑，質(zhì)子交換膜作為電解質(zhì)。工作時(shí)相當(dāng)于一直流電源，其陽(yáng)極即電源負(fù)極，陰極為電源正極。
 
1. PEMFC工作原理
圖1為質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)的結(jié)構(gòu)和原理圖，PEMFC主要是由電極板、氣體擴(kuò)散層、催化層、質(zhì)子交換膜組成。電極板在燃料電池中起支撐電極的作用，提供氫氣和氧氣的通道，通過(guò)流場(chǎng)引導(dǎo)反應(yīng)物分布，并收集電子，使電極與外電路連通。擴(kuò)散層為氣體從極板流道擴(kuò)散到催化層提供通道；催化層的作用是使燃料（氫氣）和氧化劑（氧氣）發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)，主要是金屬鉑（Pt）。質(zhì)子交換膜可阻止陰極與陽(yáng)極之間氣體相通，對(duì)水合的質(zhì)子具有良好的導(dǎo)通性，并阻隔電子通過(guò)，濕潤(rùn)的質(zhì)子交換膜就是燃料電池的電解質(zhì)。
 
PEMFC工作過(guò)程如下：

    為清晰的描述，我們分別論述陽(yáng)極側(cè)與陰極側(cè)。
 
陽(yáng)極側(cè)

1. 氫氣從陽(yáng)極板氣體通道進(jìn)入陽(yáng)極的氣體擴(kuò)散層。

2. 陽(yáng)極的氫氣擴(kuò)散到陽(yáng)極催化層，氫氣分子與Pt相作用，H-H鍵斷裂，被催化分解為氫離子和電子。電化學(xué)反應(yīng)的方程式如下：
 
          
3. 由于質(zhì)子交換膜僅允許氫離子以水合方式通過(guò)，因此氫離子擴(kuò)散到陰極側(cè)，而電子堆積在陽(yáng)極。

4. 當(dāng)雙極板與外部電路連接，陽(yáng)極堆積的電子通過(guò)電路流向陰極板，

圖1是PEMFC陽(yáng)極側(cè)電化學(xué)反應(yīng)示意圖。
 
 
圖1：燃料電池（PEMFC）陽(yáng)極側(cè)電化學(xué)反應(yīng)
 
陰極側(cè)

1. 氧氣從陰極板氣體通道進(jìn)入陰極的氣體擴(kuò)散層。

2. 從陽(yáng)極流向陰極的電子擴(kuò)散到陰極擴(kuò)散層和催化層處。

3. 電子與擴(kuò)散層中的氧氣，在陰極催化層處與通過(guò)質(zhì)子交換膜擴(kuò)散過(guò)來(lái)的氫離子發(fā)生反應(yīng)，生成水流向陰極板。 電化學(xué)反應(yīng)的方程式如下：
 
        
圖2是PEMFC陰極側(cè)電化學(xué)反應(yīng)示意圖。
 
 
圖2： 燃料電池（PEMFC）陰極側(cè)電化學(xué)反應(yīng)
 
實(shí)際上兩側(cè)的反應(yīng)是同時(shí)進(jìn)行的，總的化學(xué)方程式如下：
 
          
反應(yīng)生成物只有水，與富余的氧氣一同排出。電池反應(yīng)僅在由催化劑、電解質(zhì)和反應(yīng)物緊密接觸的三相區(qū)發(fā)生，電極板未連通時(shí)，陽(yáng)極帶負(fù)電、陰極帶正電，有電勢(shì)差，連通外電路即可形成電流，接負(fù)載即可對(duì)外輸出電能。

圖3是單個(gè)電池輸出性能曲線，圖中綠色曲線是電池輸出電壓隨輸出電流密度變化的曲線，電流密度是電池工作截面上每平方厘米通過(guò)的電流值。可看出電池開路電壓約1V，隨輸出電流增大，電壓明顯下降。在電流密度為1A至1.2A輸出功率最大，但輸出電壓僅0.5V至0.6V。
 
 
圖3： 單電池輸出性能曲線
 
以上曲線僅作參考，因?yàn)殡姵貎?nèi)部工作溫度不同，工作氣體流量不同，膜周圍濕度不同，擴(kuò)散層、催化層的材料與制作工藝不同等都影響輸出特性，但偏移不會(huì)太大。

下面有燃料電池原理動(dòng)畫，是從網(wǎng)絡(luò)動(dòng)畫剪輯的片段（有語(yǔ)音解說(shuō)），僅供參考。
 
 
燃料電池原理動(dòng)畫
 
2. 單個(gè)PEMFC模型
圖4是單個(gè)PEMFC模型的主要零件。
 
 
圖4：?jiǎn)蝹�(gè)PEMFC模型的主要零件
 
電極板    單個(gè)電池有兩個(gè)電極板，陽(yáng)極板與陰極板。除了收集電子，陽(yáng)極板提供輸入氫氣的通道，陰極板提供輸入氧氣的通道。在極板上開有槽，稱為流道。流道引導(dǎo)反應(yīng)氣體流動(dòng)方向，確保反應(yīng)氣體均勻分配到電極的各處。流道兩端有氣體入口與氣體出口，

氣體擴(kuò)散層    氣體擴(kuò)散層是導(dǎo)電材料制成的多孔合成物，為氣體從流道均勻擴(kuò)散到催化層提供通道。

膜電極    膜電極包含了質(zhì)子交換膜與催化層，在質(zhì)子交換膜兩面集成了催化層。

密封墊片    密封墊片僅作為層間密封使用。

圖5是單個(gè)電池的零件排列圖
 
 
圖5：?jiǎn)蝹�(gè)燃料電池的零件排列圖（右）
 
圖6是從另一個(gè)方向展示單個(gè)電池的零件排列圖

  
圖6：?jiǎn)蝹�(gè)燃料電池的零件排列圖（左視）
 
在陽(yáng)極板上安裝好氫氣輸入管與氫氣排出管與電池負(fù)極接線端，在陰極板上安裝好氧氣輸入管與氧氣排出管與電池正極接線端，將所有零件疊在一起壓緊，就組成一個(gè)單燃料電池模型。見(jiàn)圖7
 
 
圖7：?jiǎn)蝹�(gè)燃料電池的零件疊裝圖
 
在陽(yáng)極端通入加濕的氫氣，在陰極端通入加濕的氧氣，在電池正負(fù)極之間就會(huì)有電壓產(chǎn)生。

這只是一個(gè)原理模型，在“氫燃料電池電堆與系統(tǒng)”課件中會(huì)介紹能真正工作的氫燃料電池系統(tǒng)。