氢燃料电池的工作原理.doc

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1、氢燃料电池的工作原理燃料电池本质是水电解的“逆”装置，主要由3部分组成，即阳极、阴极、电解质，如图1[3]。其阳极为氢电极，阴极为氧电极。通常，阳极和阴极上都含有一定量的催化剂，用来加速电极上发生的电化学反应。两极之间是电解质。　　以质子交换膜燃料电池（PEMFC）为例，其工作原理如下：　　(1)氢气通过管道或导气板到达阳极；　　(2)在阳极催化剂的作用下，1个氢分子解离为2个氢质子，并释放出2个电子，阳极反应为：　　H2→2H++2e。　　(3)在电池的另一端，氧气（或空气）通过管道或导气板到达阴极，在阴极催化剂的作用下，氧分子和氢离子与通过外电路到达阴极的电子发生反应生成水

2、，阴极反应为：1/2O2+2H++2e→H2O　　总的化学反应为：H2+1/2O2＝H2O　　电子在外电路形成直流电。因此，只要源源不断地向燃料电池阳极和阴极供给氢气和氧气，就可以向外电路的负载连续地输出电能。　　3PEMFC的特点及研发应用现状　　燃料电池种类较多，PEMFC以其工作温度低、启动快、能量密度高、寿命长等优点特别适宜作为便携式电源、机动车电源和中、小型发电系统。　　PEMFC发电机由本体及其附属系统构成。本体结构除上述核心单元外，还包括单体电池层叠时为防止汽、水泄漏而设置的密封件，以及压紧各单体电池所需的紧固件等。附属系统包括：燃料及氧化剂贮存及其循环单元，电池

3、湿度、温度调节单元，功率变换单元及系统控制单元。图2是一个典型的PEMFC发电系统示意图[4]。　　(1)PEMFC作为移动式电源的应用　　PEMFC作为移动式电源的应用领域分为两大类：一是可用作便携式电源、小型移动电源、车载电源等。适用于军事、通讯、计算机等领域，以满足应急供电和高可靠性、高稳定性供电的需要。实际应用是手机电池、笔记本电脑等便携电子设备、军用背负式通讯电源、卫星通讯车载电源等。二是用作自行车、摩托车、汽车等交通工具的动力电源，以满足环保对车辆排放的要求。从目前发展情况看，PEMFC是技术最成熟的电动车动力电源。　　国际上，PEMFC研究开发领域的权威机构是加拿

4、大Ballard能源系统公司。美国H-Power公司于1996年研制出世界上第一辆以PEMFC发电机为动力源的大巴士[5]。近年来，我国对燃料电池电动车的研发也极为重视，被列入国家重点科技攻关计划。上海神力公司、富原燃料电池有限公司、清华大学、中科院大连化物所已分别研制出游览观光车、中巴车样车，其性能接近或达到国际先进水平。　　(2)PEMFC作为固定式电源的应用　　PEMFC除适用于作为交通电源外，也非常适合用于固定式电源。既可与电网系统互联，用于调峰；也可作为独立电源，用作海岛、山区、边远地区、或作为国防（人防）发供电系统电源。　　采用多台PEMFC发电机联网还可构成分散式

5、供电系统。分散式供电系统有很多优点：①可省去电网线路及配电调度控制系统；②有利于热电联供（由于PEMFC电站无噪声，可就近安装，PEMFC发电所产生的热可进入供热系统），可使燃料总利用率高达80%以上；③受战争和自然灾害等影响比较小，尤其适宜于现代战争条件下的主动防护需要；④通过天燃气、煤气重整制氢，可利用现有天燃气、煤气供气系统等基础设施为PEMFC提供燃料；通过再生能源制氢（电解水制氢、太阳能电解制氢、生物制氢）则可形成循环利用系统（这种循环系统特别适用于边远地区、人所），使系统建设成本和运行成本降低。国际上普遍认为，随着燃料电池的推广应用，发展分散型电站将是一个趋势。　　

6、(3)氢能电源的军事应用前景　　随着现代科学技术的迅速发展及其在军事领域的广泛应用，以数字化技术为核心的新兴信息技术将渗透到战场的各个领域，从侦察、监视到预警，从通信、指挥到控制，从武器装备的自动化、精确制导和智能化到各种电子战手段，信息技术装备已经成为覆盖整个战场的、决定战争胜负的重要因素，它不仅构成总体作战的“神经系统”，而且成为总体作战能力的“倍增器”。电源作为信息技术装备的命脉，能否连续、可靠、安全、灵活地供电是至关重要的，它是信息技术装备密不可分的一部分。　　由于PEMFC发电机工作温度低，红外辐射少，无震动，没有噪音，因此特别适合用作为现代军用电源。1998年8月，

7、美国国防部在向国会国防委员会呈递的报告中指出：移动电力是永久性防御设施最基本的五大要素之一；燃料电池发电技术替代常规发电装置的迅速演变，给未来发电系统采用氢气作为主燃料开辟了道路；由于能量转换效率（超过60%）很高，操作维护极为简单，燃料电池发电机使氢能源作为主燃料的应用极为可靠而高效。因此，把作战燃料改为氢，将获得更加高效可靠的发电系统、更低的排放、更低的噪音、极大地减小热辐射和红外成像，便于伪装和隐蔽作战。　　PEMFC发电机的诸多优越性能，使其在航空航天及超级移动设备、水下潜艇、军事工