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1、氢氧燃料电池简介燃料电池是一种能量转换装置。它可以按电化学原理，等温地把储存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能。如图 1 所示，对于氢氧燃料电池，在其阳极负极上，氢气发生氧化反响，失去电子变成氢离子：H 2H + + 2e-12在阴极正极上，氧气发生复原反响，得到电子，并与氢离子结合生成水：1燃料电池的总反响为：O+ 2H + + 2e- H22O221H +O H O3即氢气与氧气发生反响生成了水。2222阳电阴极解极氧气质氢气水负载图 1 燃料电池工作原理示意图值得留意的是，氢气和氧气通过燃料电池所发生的反响，与常规的氢气在氧气中发生的直接氧化例如燃烧反响的过程大不一样。在燃料电池中氢
2、气与氧气并不直接接触，反响是必需通过阴极、阳极以及 二者之间的电解质进展。在反响的过程中，在阳极由氢释放的电子会通过外电路负载流到阴极；氢离子那么 通过具有氢离子质子导电性的聚合物薄膜PEM集中到阴极。燃料电池与常规的化学电池例如锰锌干电池、铅酸蓄电池、锂离子电池等不同，它的燃料例如氢气和氧化剂例如氧气并不储存在电极中，而是储存在电池以外的储罐中，在其工作期间，需要不 断向电池中输入燃料和氧化剂，同时排放反响产物。因此，从工作方式上看，燃料电池更像常规的汽油或 柴油发电机。燃料电池的主要特点：（1） 高效率在燃料电池工作的过程中，化学能直接转变成了电能，并不经过常规燃料燃烧方法发电所经受的燃烧
3、释放热能供给热机做功，再把机械功转变为电能的简单过程。由于燃料电池发电不必经受热机过程，所以 也就不受卡诺循环的效率限制，因此燃料电池具有很高的效率，其理论效率高达85%以上，即使在受到各 种极化限制的状况下，其能量转化效率仍旧可以达 40%60%。假设实现热电联供，燃料的总利用率可以高达 80%以上。（2） 环境友好由于燃料电池的能量转化效率很高，因此即使使用由矿物燃料转化得到的富氢气体为燃料进展发电， 排放的温室气体量也要少于传统的火力发电。假设使用氢气作为燃料，反响产物是格外干净的水，完全没 有污染。由于燃料电池的发电过程无需经受高温燃烧过程，因此避开了会导致空气污染的氮氧化物的产生。（
4、3） 安静燃料电池发电是按电化学原理工作的，运动部件极少，因此工作时格外安静，噪声很低。燃料电池有很多种。最常用的分类方法是依据电池所承受的电解质进展分类，可以分为：1碱性燃料电池，一般以氢氧化钾为电解质；2磷酸型燃料电池，以浓磷酸为电解质；3质子交换膜燃料电池，以全氟或局部氟化的磺酸型质子交换膜为电解质；4熔融碳酸盐燃料电池，以熔融状态的锂-钾碳酸盐或锂-钠碳酸盐为电解质；5固体氧化物燃料电池，以稳定氧化锆等固体氧化物离子导体作为电解质。燃料电池有很多应用。例如，以氢氧化钾为电解质的碱性燃料电池在20 世纪 60 年月已成功应用于载人航天飞行，作为 Appollo 登月飞船和航天飞机的主电源
5、，证明白燃料电池高效率、高比能量和高牢靠性。磷酸型燃料电池已经作为分布式电站被承受。质子交换膜燃料电池在最近十几年里已经被成功开发成电动 车和潜艇的动力源。以甲醇为燃料的直接甲醇燃料电池已经被开发成笔记本电脑的电源。固体氧化物燃料 电池已经被用于和蒸汽轮机组成高效率的联合发电系统，并被开发为卡车和飞机的关心电源单元APU，以及家用热电联供系统等。燃料电池的电动势由燃料氧化反响的吉布斯自由能变化量DG 打算：DGE = -nF（4）式中，n 为反响转移的电子数，F 是法拉第常数F=96493C。燃料电池的理论效率，定义为吉布斯自由能变化量与反响的焓变的比值：h = DG= 1 - T DS（5）
6、DHDH对于有多种气体参与的燃料电池电化学反响，电池的电动势由Nernst 方程打算：E = E 0 -RT vln p（6）nFii i式中， E 0 = RT ln K 称为电池标准电动势，它仅为温度的函数，而与反响物浓度、压力等因素无关。 pnFi是参与反响的气体分压；v 是反响的计量系数，对反响物取负值，对产物取正值。i当燃料电池实际运行并输出电能时，输出的电量与燃料和氧化剂的消耗听从法拉第定律，即燃料与氧化剂在电池内的消耗量Dm 与电池输出的电量Q 成正比：Dm = k Q = k I t7eeE在燃料电池放电时，电池的电压会从电流密度为0 的静态电势 开路电压，但不肯定等于电动势下
7、降ss为实际的路端电压 U，其值是电化学反响速度电流密度 i=I/A的函数。开路电压 Es 与放电时的路端电压 U 的差值，E -U=h，称为极化过电位，这种电极电位偏离平衡态值的现象称为电极的极化。燃料电池中的极化主要有三种类型：1电化学活化极化；2欧姆极化；3浓差极化。其中，活化过极化过电位与电流密度之间近似听从Tafel 关系：欧姆极化过电位与电流密度之间听从欧姆定律：h= a + b ln j8acth= R j9ohm而浓差极化过电位也称集中过电位与电流密度满足方程：RTj h d = nF ln1- j d10由于活化过极化电位与浓差极化过电位与电流密度之间都呈非线性的关系，因此，实际电池包括燃料电 池的放电曲线通常都不是严格的直线。
