燃料电池的基本工作原理

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1、燃料电池的基本工作原理燃料电池的基本工作原理我们在准备长途旅行之前，总是不会忘记检查是否随身携带了信用卡或者钱包，当然还有手机或者笔记本电脑的备用电池和充电器，它们的重要性伴随着人们对手机和笔记本电脑的依赖日益彰显。其症结所在就是电池的有限的工作时间，目前便携式电子产品使用的锂离子电池已经无法应付长时间操作的需求。一块手机普通的锂电池只能维持几天时间，笔记本电脑的电池也就几个小时。而随着无线技术和音视频功能越来越受欢迎燃料电池的基本工作原理我们在准备长途旅行之前，总是不会忘记检查是否随身携带了信用卡或者钱包，当然还有手机或者笔记本电脑的备用电池和充电器，它们的重要性伴随

2、着人们对手机和笔记本电脑的依赖日益彰显。其症结所在就是电池的有限的工作时间，目前便携式电子产品使用的锂离子电池已经无法应付长时间操作的需求。一块手机普通的锂电池只能维持几天时间，笔记本电脑的电池也就几个小时。而随着无线技术和音视频功能越来越受欢迎，对电池的工作时间的要求与日俱增，传统二次电池(包括锂电池和镍电池)已经成为瓶颈，桎梏了便携式产品向更丰富功能的方向发展。　　与传统二次电池相比，燃料电池的能量至少要高10倍。一个锂离子电池能提供300Whr/L的电量密度，而甲醇燃料电池的电量密度却高达4800Whr/L，10ml的甲醇可以保证13.5小时的通话时间或者642小

3、时的待机时间。因此，东芝、IBM、NEC等许多国际著名的电子公司都倾注精力和财力研究燃料电池，目前世界前十大营收企业，除Walmart外，均有投资氢能或燃料电池产业。专攻便携式应用的DMFC　　　　理论上，燃料电池(FuelCell)并不是电池，只是把燃料(例如氢气)和氧化剂通过电极反应直接生成电流的装置，由于它的生成物是水，因而具有相当的环保优势。燃料电池的典型结构就是层迭电池单元的堆栈(Stack)，一个堆栈可以包含多个单独的燃料单元(图1)。而每个单元的基本结构与电解水装置相类似，包含2个正负电极(阳极和阴极)，电解质以及催化剂。阳极为氢电极，阴极为氧电极，阳极和

4、阴极上都含有一定量的催化剂，目的是用来加速电极上发生的电化学反应。以氢氧反应为例，在阴极催化剂的作用下，一个氢分子分解成2个氢离子，同时释放出2个电子，由于阻隔膜对电子的过滤作用，电子无法通过电解质只能绕行，从而形成电流。而氢离子可以顺利通过电解质达到阴极和空气中的氧原子反应生成水(图2)。　　图1燃料电池的基本结构　图2燃料电池的基本工作原理　　　从工作原理不难看出，催化剂、电极、隔膜和电解质是燃料电池的主要材料。各种燃料电池工作原理基本相似，其分类是由电解质的材料决定的。目前广泛研发的燃料电池有质子交换膜燃料电池(PEMFC)、直接甲醇燃料电池(DMFC)、碱性燃料

5、电池(AFC)、磷酸盐型燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐型燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)等。另外，由于工作温度和发电功率的不同(表1)，燃料电池的应用领域也可以分为四种：便携式电子产品，包括笔记型计算机、数字相机、手机、PDA等；住宅发电，既是住宅或备用电源；运输交通工具，汽车、巴士等；大型发电大楼发电、小型及大型发电厂。　　　其中，PEMFC因其不经过燃烧直接以电化学反应连续地把燃料和氧化剂中的化学能直接转换成电能，具有能量转换效率高(一般都在40%~60%，而内燃机仅为18%~24%)的优点，成为应用非常广泛的技术，尤其是在汽车用燃料方面，PE

6、MFC的应用接近该市场的100%。　　　另外颇受关注的是DMFC，它同属于PEMFC，都是采用聚合物阻隔膜，但是DMFC以液态甲醇为燃料，与氢燃料电池相比，DMFC在电池系统构造、燃料来源等诸多方面均有一定的优势。其阳极催化剂可以直接从液态甲醇中提取氢分子无需燃料重组器(Reformer)，所以高纯度甲醇可以直接用作电池的燃料。同时还能有效减少电池的尺寸，简化系统结构，因而更适合作为便携式电源用于民用工业和军事工业中，如可用于电动汽车、电动自行车、移动电话、笔记本电脑中。　　和目前的二次电池相比，DMFC具备燃料电池的一贯优势。DMFC的理论功率密度是4780Whr/L

7、，远高于镍氢的200Whr/L、锂离子的310Whr/L，因而可以支持更长的工作时间。另外有别于二次电池蓄电/放电的工作机制，燃料电池可以说是能源转换器，只要将燃料持续供应即可源源不绝的持续产生电力，不会有电力中断或更换电池的考虑。并且DMFC公司也在考虑通过混合电源的方式逐步让人们接受燃料电池，这种方式混合动力汽车中已经得到积极的验证。混合电源是将燃料电池和储能装置(如超级电容或电池)组合，燃料电池将提供恒定的功率，而靠电容或电池来满足峰值功率方面的要求。　　　燃料电池的产业链包括材料、组件、子系统和系统四部分，多数著名的电子消费品公司