The Principle of Hydrogen Fuel Cell 氫燃料電池原理
 
燃料電池 （fuel cell）
燃料電池是一種把燃料所具有的化學能直接轉換成電能的化學裝置，由于燃料電池是通過電化學反應把燃料的化學能中的吉布斯自由能部分轉換成電能，不受卡諾循環效應的限制，因此效率高; 另外，燃料電池用燃料和氧氣作為原料，同時沒有機械傳動部件，故排放出的有害氣體極少，使用壽命長。
 
燃料電池分類
氫燃料電池（Hydrogen Fuel Cell）是將氫氣和氧氣的化學能直接轉換成電能的發電裝置。其基本原理是電解水的逆反應，把氫和氧分別供給陽極和陰極，氫通過陽極向外擴散和電解質發生反應后，放出電子通過外部的負載到達陰極。

固體氧化物燃料電池(SOFC)是一種直接將燃料氣和氧化氣中的化學能轉換成電能的全固態能量轉換裝置，固體氧化物燃料電池以致密的固體氧化物作電解質,在高溫800～ 1 000℃下工作。

以甲醇為燃料的質子交換膜燃料電池(DMFC)

通常使用的分類方法都是按照燃料電池內部電解質的種類進行分類：

堿性燃料電池（AFC），磷酸型燃料電池（PAFC），熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）， 固體氧化物燃料電池（SOFC），質子交換膜燃料電池（PEMFC），本課件僅介紹應較普遍的質子交換膜燃料電池（PEMFC）。
 
質子交換膜燃料電池（PEMFC）
質子交換膜燃料電池或稱為PEM燃料電池，或簡稱PEMFC。
PEMFC屬于氫燃料電池，（PEMFC）的最大特點就是其工作溫度很低，在常溫下即可運行，其電流輸出密度是AFC的十多倍，輸出功率密度更是比除了AFC之外的其它燃料電池高出五到十倍，只要可以加壓操作其輸出功率密度可以達到1~2W/cm2。PEMFC的缺點是必須采用昂貴的催化劑來提高反應速度。

PEMFC發電在原理上相當于水電解的“逆”裝置。其單電池由陽極、陰極和質子交換膜組成，陽極為氫燃料發生氧化的場所，陰極為氧化劑還原的場所，兩極都含有加速電極電化學反應的催化劑，質子交換膜作為電解質。工作時相當于一直流電源，其陽極即電源負極，陰極為電源正極。
 
1. PEMFC工作原理
圖1為質子交換膜燃料電池(PEMFC)的結構和原理圖，PEMFC主要是由電極板、氣體擴散層、催化層、質子交換膜組成。電極板在燃料電池中起支撐電極的作用，提供氫氣和氧氣的通道，通過流場引導反應物分布，并收集電子，使電極與外電路連通。擴散層為氣體從極板流道擴散到催化層提供通道；催化層的作用是使燃料（氫氣）和氧化劑（氧氣）發生電化學反應的物質，主要是金屬鉑（Pt）。質子交換膜可阻止陰極與陽極之間氣體相通，對水合的質子具有良好的導通性，并阻隔電子通過，濕潤的質子交換膜就是燃料電池的電解質。
 
PEMFC工作過程如下：

    為清晰的描述，我們分別論述陽極側與陰極側。
 
陽極側

1. 氫氣從陽極板氣體通道進入陽極的氣體擴散層。

2. 陽極的氫氣擴散到陽極催化層，氫氣分子與Pt相作用，H-H鍵斷裂，被催化分解為氫離子和電子。電化學反應的方程式如下：
 
          
3. 由于質子交換膜僅允許氫離子以水合方式通過，因此氫離子擴散到陰極側，而電子堆積在陽極。

4. 當雙極板與外部電路連接，陽極堆積的電子通過電路流向陰極板，

圖1是PEMFC陽極側電化學反應示意圖。
 
 
圖1：燃料電池（PEMFC）陽極側電化學反應
 
陰極側

1. 氧氣從陰極板氣體通道進入陰極的氣體擴散層。

2. 從陽極流向陰極的電子擴散到陰極擴散層和催化層處。

3. 電子與擴散層中的氧氣，在陰極催化層處與通過質子交換膜擴散過來的氫離子發生反應，生成水流向陰極板。 電化學反應的方程式如下：
 
        
圖2是PEMFC陰極側電化學反應示意圖。
 
 
圖2： 燃料電池（PEMFC）陰極側電化學反應
 
實際上兩側的反應是同時進行的，總的化學方程式如下：
 
          
反應生成物只有水，與富余的氧氣一同排出。電池反應僅在由催化劑、電解質和反應物緊密接觸的三相區發生，電極板未連通時，陽極帶負電、陰極帶正電，有電勢差，連通外電路即可形成電流，接負載即可對外輸出電能。

圖3是單個電池輸出性能曲線，圖中綠色曲線是電池輸出電壓隨輸出電流密度變化的曲線，電流密度是電池工作截面上每平方厘米通過的電流值。可看出電池開路電壓約1V，隨輸出電流增大，電壓明顯下降。在電流密度為1A至1.2A輸出功率最大，但輸出電壓僅0.5V至0.6V。
 
 
圖3： 單電池輸出性能曲線
 
以上曲線僅作參考，因為電池內部工作溫度不同，工作氣體流量不同，膜周圍濕度不同，擴散層、催化層的材料與制作工藝不同等都影響輸出特性，但偏移不會太大。

下面有燃料電池原理動畫，是從網絡動畫剪輯的片段（有語音解說），僅供參考。
 
 
燃料電池原理動畫
 
2. 單個PEMFC模型
圖4是單個PEMFC模型的主要零件。
 
 
圖4：單個PEMFC模型的主要零件
 
電極板    單個電池有兩個電極板，陽極板與陰極板。除了收集電子，陽極板提供輸入氫氣的通道，陰極板提供輸入氧氣的通道。在極板上開有槽，稱為流道。流道引導反應氣體流動方向，確保反應氣體均勻分配到電極的各處。流道兩端有氣體入口與氣體出口，

氣體擴散層    氣體擴散層是導電材料制成的多孔合成物，為氣體從流道均勻擴散到催化層提供通道。

膜電極    膜電極包含了質子交換膜與催化層，在質子交換膜兩面集成了催化層。

密封墊片    密封墊片僅作為層間密封使用。

圖5是單個電池的零件排列圖
 
 
圖5：單個燃料電池的零件排列圖（右）
 
圖6是從另一個方向展示單個電池的零件排列圖

  
圖6：單個燃料電池的零件排列圖（左視）
 
在陽極板上安裝好氫氣輸入管與氫氣排出管與電池負極接線端，在陰極板上安裝好氧氣輸入管與氧氣排出管與電池正極接線端，將所有零件疊在一起壓緊，就組成一個單燃料電池模型。見圖7
 
 
圖7：單個燃料電池的零件疊裝圖
 
在陽極端通入加濕的氫氣，在陰極端通入加濕的氧氣，在電池正負極之間就會有電壓產生。

這只是一個原理模型，在“氫燃料電池電堆與系統”課件中會介紹能真正工作的氫燃料電池系統。