2.3.2 燃料電池工作原理

燃料電池是一種把氫進(jìn)行氧化而將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電裝置，其能量的轉(zhuǎn)換不受卡諾循環(huán)規(guī)律限制。在運(yùn)行過程中，燃料電池不需要復(fù)雜的機(jī)械傳動(dòng)裝置，也不需要潤滑劑，當(dāng)燃料電池向驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供電源來驅(qū)動(dòng)燃料電池汽車行駛時(shí)，沒有振動(dòng)與噪聲。

燃料電池是由負(fù)極（燃料極）、正極（氧化極）和正負(fù)極之間的電解質(zhì)共同組成，不同種類的燃料電池采用了不同的電解質(zhì)，有酸性、堿性、固體高分子型或質(zhì)子膜型。其工作原理如圖2-19所示。在燃料電池負(fù)極一側(cè)輸入氫氣，在燃料電池正極一側(cè)輸入空氣或氧氣。在催化劑的作用下，氫在陽極分解成氫離子和電子，氧在陰極同電解液中的氫離子吸收抵達(dá)陰極的電子，最后在電化學(xué)反應(yīng)過程中轉(zhuǎn)化為電能和生成水。由于電解質(zhì)中離子的運(yùn)動(dòng)，電極上有電荷的積累，外電路接通后有直流電通過，并可以持續(xù)。電解質(zhì)具有選擇通過性，只允許負(fù)極產(chǎn)生的質(zhì)子通過，到達(dá)正極，但不允許氣體和電子通過。原則上只要反應(yīng)物不斷輸入，反應(yīng)產(chǎn)物不斷排出，燃料電池就能連續(xù)發(fā)電。燃料電池在汽車上的利用，停車時(shí)溫度將下降，使用時(shí)溫度需要提升，這使得燃料電池汽車的起動(dòng)需要一段時(shí)間。而保持高溫狀態(tài)下，能量損失又變大。因此限于這些條件，適合于汽車用的應(yīng)為接近常溫下使用的燃料電池類型。

圖2-19 燃料電池工作原理圖

目前，在燃料電池汽車的燃料電池使用上，美國廣泛應(yīng)用的是質(zhì)子交換膜燃料電池組（Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC），在日本一般使用固體高分子型燃料電池組（Proton Electrolyte Fuel Cell, PEFC）。質(zhì)子交換膜燃料電池是用可傳導(dǎo)質(zhì)子的聚合膜作為電解質(zhì)，具有選擇透過H+的功能，其能量轉(zhuǎn)換效率理論上可達(dá)到80%，現(xiàn)在各國研發(fā)的PEMFC實(shí)際能量轉(zhuǎn)換效率只達(dá)到50%～60%，但具有比功率大、質(zhì)量體積小、起動(dòng)快、能耗少、壽命長、工作溫度低等特點(diǎn)，有利于在燃料電池汽車上布置。固體高分子型燃料電池使用涂有塑料催化劑的固體高分子電解質(zhì)膜作為電解質(zhì)，其工作溫度在80℃左右，可進(jìn)行常溫起動(dòng)而被認(rèn)為是比較理想的車用燃料電池。

使用質(zhì)子交換膜電池時(shí)，氫氣通過管道或者導(dǎo)氣板到達(dá)陽極，在陽極催化劑作用下，氫分子解離為帶正電的氫離子并釋放出帶負(fù)電的電子，氫離子以水合物（H3O+）的形式穿過質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極，電子則通過外電路到達(dá)陰極，在陰極催化劑作用下，氧與氫離子及電子發(fā)生反應(yīng)生成水。使用固體高分子型電池時(shí)，燃料極側(cè)供給氫氣，空氣極供給氧氣，兩極之間是涂有塑料催化劑的固體高分子電解質(zhì)膜和與外側(cè)電極一體化的膜-電極結(jié)合體（Membrance Electrode Assembly，MEA），燃料極側(cè)的氫離子通過這一膜到達(dá)空氣極側(cè)（H2→2H++2e）。從燃料極側(cè)通過外部導(dǎo)線到達(dá)空氣的負(fù)電子與氫離子結(jié)合生成氫氣，氫和氧一起結(jié)合生成水發(fā)熱（O2/2+2H++2e→H2O）。