汽车燃料电池的结构与原理

燃料电池也是一种能量转换装置，其与普通蓄电池的根本区别在于燃料电池的燃料和氧化剂不是储存在电池内部，而是储存在电池外部的储存罐中，当燃料电池工作（输出电流并做功）时，需要不间断地向电池内输入燃料和氧化剂，同时排出反应生成物（即排出水）。只要不断地向电池内输入燃料和氧化剂，电池就能不断地产生电能，故称为燃料电池。因此，从工作方式上看，其类似于常规的汽油发电机或柴油发电机。

燃料电池工作时需要连续不断地向电池内输入燃料和氧化剂，因此，燃料电池使用的燃料和氧化剂均为流体（气体和液体）。最常用的燃料为纯氢气、各种富含氢的气体（如煤气、天然气、重整气等）和某些液体（如甲醇水溶液）。常用的氧化剂为纯氧气、净化空气等气体和某些液体（如过氧化氢和硝酸的水溶液等）。

燃料电池是按电化学原理，即原电池（如日常生活中所用的锌－锰干电池）的工作原理，等温地将储存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能。燃料电池种类很多，下面以使用较多的碱性燃料电池为例说明其结构组成。

1.碱性燃料电池的结构组成

碱性燃料电池以强碱（如氢氧化钾溶液、氢氧化钠溶液）为电解质，以氢气为燃料，以纯氧气或脱除微量二氧化碳的空气为氧化剂，采用对氧电化学还原具有良好催化活性的铂／碳（Pt／C）、银（Ag）、银－金（Ag－Au）、镍（Ni）等为催化剂制备的多孔气体扩散电极为氧电极，以铂／碳（Pt／C）、铂－钯／碳（Pt－Pd／C）、镍（Ni）或硼化镍等具有良好催化性能的催化剂制备的多孔气体电极为氢电极，以无孔炭板、镍板或镀镍，甚至镀银、镀金的各种金属（如铝、镁、铁等）板为双极板材料，在板面上加工各种形状的气体流动通道（又称为流场）构成双极板。

碱性石棉膜型氢氧燃料电池单元电池的结构原理示意如图2－17所示。预先把燃料转化为氢气，然后与氧气分别在电池的两极发生氧化和还原反应，从而产生电能。

图2－17中，A是氧气腔，氧气由高压氧气筒供给，工作压力为666～1 333 kPa；E是氢气腔，氢气由高压氢气筒供给；正极B是多孔氧电极（活性炭电极），并以钴和钯的混合物作为催化剂；负极D是多孔氢电极（活性炭电极），以铂或钯作催化剂；C是饱含电解液的石棉膜，电解液是30%～35%的氢氧化钾溶液，由液压泵使其循环。

2.碱性燃料电池的工作原理

碱性燃料电池的化学反应过程如下：

图2-17　碱性石棉膜型氢氧燃料电池单元电池的结构原理示意

（a）单元电池结构示意图；（b）电化学反应原理
A—氧气腔；B—正极（多孔氧电极）；C—饱含电解质的石棉膜；D—负极（多孔氢电极）；E—氢气腔

在负极D（氢电极）处，氢气与强碱溶液中的氢氧根离子（OH－）在负极D上的催化剂的作用下，发生氧化反应生成水并放出电子，即在正极B（氧电极）处，电子通过外电路到达正极，在正极B上的催化剂的作用下，参与氧气的还原反应，即

H2＋2OH－→2H2O＋2e（负极电位为φ－＝－0.828V）(www.xing528.com)

生成的氢氧根离子（OH－）通过饱浸碱液的多孔石棉膜迁移到氢电极，使反应继续进行。

电池总反应为

在反应过程中，氢气和氧气不断消耗并生成水。因此，为了保持电池连续工作，除了需要与电池消耗氢气、氧气等速地供应氢气、氧气之外，还需要连续、等速地从负极D（氢电极）排出电池反应生成的水以维持电解液中碱浓度的恒定。此外，还需排除电池反应产生的废热以维持电池工作温度的恒定。照此办理，反应就能继续进行，并不断地产生电能向外电路供电，电动汽车就能连续行驶。

【特别提示】

一节单元电池（简称“单池”）的电动势为1.229V［E＝φ＋－φ－＝0.401＋0.828＝1.229（V）］，工作电压仅有0.6～1.0V。为了满足使用要求，需要将多节单池组合起来构成一个电池组。首先，依据使用对象对电池工作电压的需求，确定电池组单池的节数；其次，依据使用对象对电池组的功率、效率、质量比功率和体积比功率等要求，综合考虑确定电池的电极工作面积。

燃料电池的比能量可达200～500 W·h／kg，为铅酸蓄电池的4～7倍，且无须充电，只要不断供应燃料就可继续使用，因此，燃料电池适合作为电动汽车的动力源。其缺点是需要以贵金属作为催化剂，成本高，且燃料的储藏和运输都有一定困难，有待进一步解决。

3.酸性燃料电池的工作原理

20世纪70年代，各国开始研究以酸为导电电解质的酸性燃料电池。当酸性燃料电池以氢气为燃料，以氧气为氧化剂时，在电池内部发生的电极反应和总反应如下：负极（氢电极）反应为

正极（氧电极）反应为

电池总反应为

由此可见，酸性燃料电池的反应过程与碱性燃料电池类似，也是氢气和氧气不断地消耗并生成水。