2.3.2 燃料电池工作原理

燃料电池是一种把氢进行氧化而将化学能直接转换为电能的发电装置，其能量的转换不受卡诺循环规律限制。在运行过程中，燃料电池不需要复杂的机械传动装置，也不需要润滑剂，当燃料电池向驱动电机提供电源来驱动燃料电池汽车行驶时，没有振动与噪声。

燃料电池是由负极（燃料极）、正极（氧化极）和正负极之间的电解质共同组成，不同种类的燃料电池采用了不同的电解质，有酸性、碱性、固体高分子型或质子膜型。其工作原理如图2-19所示。在燃料电池负极一侧输入氢气，在燃料电池正极一侧输入空气或氧气。在催化剂的作用下，氢在阳极分解成氢离子和电子，氧在阴极同电解液中的氢离子吸收抵达阴极的电子，最后在电化学反应过程中转化为电能和生成水。由于电解质中离子的运动，电极上有电荷的积累，外电路接通后有直流电通过，并可以持续。电解质具有选择通过性，只允许负极产生的质子通过，到达正极，但不允许气体和电子通过。原则上只要反应物不断输入，反应产物不断排出，燃料电池就能连续发电。燃料电池在汽车上的利用，停车时温度将下降，使用时温度需要提升，这使得燃料电池汽车的起动需要一段时间。而保持高温状态下，能量损失又变大。因此限于这些条件，适合于汽车用的应为接近常温下使用的燃料电池类型。

图2-19 燃料电池工作原理图

目前，在燃料电池汽车的燃料电池使用上，美国广泛应用的是质子交换膜燃料电池组（Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC），在日本一般使用固体高分子型燃料电池组（Proton Electrolyte Fuel Cell, PEFC）。质子交换膜燃料电池是用可传导质子的聚合膜作为电解质，具有选择透过H+的功能，其能量转换效率理论上可达到80%，现在各国研发的PEMFC实际能量转换效率只达到50%～60%，但具有比功率大、质量体积小、起动快、能耗少、寿命长、工作温度低等特点，有利于在燃料电池汽车上布置。固体高分子型燃料电池使用涂有塑料催化剂的固体高分子电解质膜作为电解质，其工作温度在80℃左右，可进行常温起动而被认为是比较理想的车用燃料电池。

使用质子交换膜电池时，氢气通过管道或者导气板到达阳极，在阳极催化剂作用下，氢分子解离为带正电的氢离子并释放出带负电的电子，氢离子以水合物（H3O+）的形式穿过质子交换膜到达阴极，电子则通过外电路到达阴极，在阴极催化剂作用下，氧与氢离子及电子发生反应生成水。使用固体高分子型电池时，燃料极侧供给氢气，空气极供给氧气，两极之间是涂有塑料催化剂的固体高分子电解质膜和与外侧电极一体化的膜-电极结合体（Membrance Electrode Assembly，MEA），燃料极侧的氢离子通过这一膜到达空气极侧（H2→2H++2e）。从燃料极侧通过外部导线到达空气的负电子与氢离子结合生成氢气，氢和氧一起结合生成水发热（O2/2+2H++2e→H2O）。