【氢燃料电池的工作原理（详细）】氢燃料电池的工作原理

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，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。

3 PEMFC 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 ……此处隐藏2600个字…… 寿命在实验室已达57000h。后来，NASA 又与Hamilton 标准公司合作研制 RFC（再生燃料电池）系统，目的是配合太阳能发电系统组成用于火星探测飞行器或月球基地的动力电源（太阳能电解水装置功率 35kW，PEMFC发电机功率 25kW）。美国空军也与Treadwell 公司签订协议研究用于卫星的 RFC 系统（PEMFC 功率12kW，电压 28V）。

在超级移动装备（EMU）应用方面，NASA 与EPSI 公司合作开发采用金属氢化物储氢的 200Wh和 1500Wh 能量的 PEMFC 系统，以替代现有装备中采用的可充电电池，可有效提高能量储存密度和一次性充能能量以及循环寿命、充能速度。

PEMFC 在军事领域的一个重大用途是作为海军舰艇的动力电源。PEMFC 发电机作为潜艇不依赖于空气的推进动力（AIP）源与斯特林发动机和闭式循环柴油机相比，具有效率高、噪音低和红外辐射小等优点，在携带相同重量或体积的燃料气时，潜艇续航能力最强（大约为斯特林发动机的 2倍），且没有污染，因此 PEMFC 是潜艇 AIP 系统的最佳选择。德国从 1980 年（也是世界上最早）开始研究基于 PEMFC 发电机的潜艇，目前德国已能生产 212、214 型号的基于PEMFC 发电机的潜艇。而美国海军与 AP 公司合作开始研制以柴油重整制氢为氢源的 PEMFC 发电机，还与 Treadwell 公司合作设计并制造了用于水下探测器的 PEMFC 电源。