The Principle of Hydrogen Fuel Cell 氢燃料电池原理
 
燃料电池 （fuel cell）
燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置，由于燃料电池是通过电化学反应把燃料的化学能中的吉布斯自由能部分转换成电能，不受卡诺循环效应的限制，因此效率高; 另外，燃料电池用燃料和氧气作为原料，同时没有机械传动部件，故排放出的有害气体极少，使用寿命长。
 
燃料电池分类
氢燃料电池（Hydrogen Fuel Cell）是将氢气和氧气的化学能直接转换成电能的发电装置。其基本原理是电解水的逆反应，把氢和氧分别供给阳极和阴极，氢通过阳极向外扩散和电解质发生反应后，放出电子通过外部的负载到达阴极。

固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种直接将燃料气和氧化气中的化学能转换成电能的全固态能量转换装置，固体氧化物燃料电池以致密的固体氧化物作电解质,在高温800～ 1 000℃下工作。

以甲醇为燃料的质子交换膜燃料电池(DMFC)

通常使用的分类方法都是按照燃料电池内部电解质的种类进行分类：

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），质子交换膜燃料电池（PEMFC），本课件仅介绍应较普遍的质子交换膜燃料电池（PEMFC）。
 
质子交换膜燃料电池（PEMFC）
质子交换膜燃料电池或称为PEM燃料电池，或简称PEMFC。
PEMFC属于氢燃料电池，（PEMFC）的最大特点就是其工作温度很低，在常温下即可运行，其电流输出密度是AFC的十多倍，输出功率密度更是比除了AFC之外的其它燃料电池高出五到十倍，只要可以加压操作其输出功率密度可以达到1~2W/cm2。PEMFC的缺点是必须采用昂贵的催化剂来提高反应速度。

PEMFC发电在原理上相当于水电解的“逆”装置。其单电池由阳极、阴极和质子交换膜组成，阳极为氢燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂，质子交换膜作为电解质。工作时相当于一直流电源，其阳极即电源负极，阴极为电源正极。
 
1. PEMFC工作原理
图1为质子交换膜燃料电池(PEMFC)的结构和原理图，PEMFC主要是由电极板、气体扩散层、催化层、质子交换膜组成。电极板在燃料电池中起支撑电极的作用，提供氢气和氧气的通道，通过流场引导反应物分布，并收集电子，使电极与外电路连通。扩散层为气体从极板流道扩散到催化层提供通道；催化层的作用是使燃料（氢气）和氧化剂（氧气）发生电化学反应的物质，主要是金属铂（Pt）。质子交换膜可阻止阴极与阳极之间气体相通，对水合的质子具有良好的导通性，并阻隔电子通过，湿润的质子交换膜就是燃料电池的电解质。
 
PEMFC工作过程如下：

    为清晰的描述，我们分别论述阳极侧与阴极侧。
 
阳极侧

1. 氢气从阳极板气体通道进入阳极的气体扩散层。

2. 阳极的氢气扩散到阳极催化层，氢气分子与Pt相作用，H-H键断裂，被催化分解为氢离子和电子。电化学反应的方程式如下：
 
          
3. 由于质子交换膜仅允许氢离子以水合方式通过，因此氢离子扩散到阴极侧，而电子堆积在阳极。

4. 当双极板与外部电路连接，阳极堆积的电子通过电路流向阴极板，

图1是PEMFC阳极侧电化学反应示意图。
 
 
图1：燃料电池（PEMFC）阳极侧电化学反应
 
阴极侧

1. 氧气从阴极板气体通道进入阴极的气体扩散层。

2. 从阳极流向阴极的电子扩散到阴极扩散层和催化层处。

3. 电子与扩散层中的氧气，在阴极催化层处与通过质子交换膜扩散过来的氢离子发生反应，生成水流向阴极板。 电化学反应的方程式如下：
 
        
图2是PEMFC阴极侧电化学反应示意图。
 
 
图2： 燃料电池（PEMFC）阴极侧电化学反应
 
实际上两侧的反应是同时进行的，总的化学方程式如下：
 
          
反应生成物只有水，与富余的氧气一同排出。电池反应仅在由催化剂、电解质和反应物紧密接触的三相区发生，电极板未连通时，阳极带负电、阴极带正电，有电势差，连通外电路即可形成电流，接负载即可对外输出电能。

图3是单个电池输出性能曲线，图中绿色曲线是电池输出电压随输出电流密度变化的曲线，电流密度是电池工作截面上每平方厘米通过的电流值。可看出电池开路电压约1V，随输出电流增大，电压明显下降。在电流密度为1A至1.2A输出功率最大，但输出电压仅0.5V至0.6V。
 
 
图3： 单电池输出性能曲线
 
以上曲线仅作参考，因为电池内部工作温度不同，工作气体流量不同，膜周围湿度不同，扩散层、催化层的材料与制作工艺不同等都影响输出特性，但偏移不会太大。

下面有燃料电池原理动画，是从网络动画剪辑的片段（有语音解说），仅供参考。
 
 
燃料电池原理动画
 
2. 单个PEMFC模型
图4是单个PEMFC模型的主要零件。
 
 
图4：单个PEMFC模型的主要零件
 
电极板    单个电池有两个电极板，阳极板与阴极板。除了收集电子，阳极板提供输入氢气的通道，阴极板提供输入氧气的通道。在极板上开有槽，称为流道。流道引导反应气体流动方向，确保反应气体均匀分配到电极的各处。流道两端有气体入口与气体出口，

气体扩散层    气体扩散层是导电材料制成的多孔合成物，为气体从流道均匀扩散到催化层提供通道。

膜电极    膜电极包含了质子交换膜与催化层，在质子交换膜两面集成了催化层。

密封垫片    密封垫片仅作为层间密封使用。

图5是单个电池的零件排列图
 
 
图5：单个燃料电池的零件排列图（右）
 
图6是从另一个方向展示单个电池的零件排列图

  
图6：单个燃料电池的零件排列图（左视）
 
在阳极板上安装好氢气输入管与氢气排出管与电池负极接线端，在阴极板上安装好氧气输入管与氧气排出管与电池正极接线端，将所有零件叠在一起压紧，就组成一个单燃料电池模型。见图7
 
 
图7：单个燃料电池的零件叠装图
 
在阳极端通入加湿的氢气，在阴极端通入加湿的氧气，在电池正负极之间就会有电压产生。

这只是一个原理模型，在“氢燃料电池电堆与系统”课件中会介绍能真正工作的氢燃料电池系统。