2.3.2 燃料電池工作原理

燃料電池是一種把氫進行氧化而將化學能直接轉換為電能的發電裝置，其能量的轉換不受卡諾循環規律限制。在運行過程中，燃料電池不需要復雜的機械傳動裝置，也不需要潤滑劑，當燃料電池向驅動電機提供電源來驅動燃料電池汽車行駛時，沒有振動與噪聲。

燃料電池是由負極（燃料極）、正極（氧化極）和正負極之間的電解質共同組成，不同種類的燃料電池采用了不同的電解質，有酸性、堿性、固體高分子型或質子膜型。其工作原理如圖2-19所示。在燃料電池負極一側輸入氫氣，在燃料電池正極一側輸入空氣或氧氣。在催化劑的作用下，氫在陽極分解成氫離子和電子，氧在陰極同電解液中的氫離子吸收抵達陰極的電子，最后在電化學反應過程中轉化為電能和生成水。由于電解質中離子的運動，電極上有電荷的積累，外電路接通后有直流電通過，并可以持續。電解質具有選擇通過性，只允許負極產生的質子通過，到達正極，但不允許氣體和電子通過。原則上只要反應物不斷輸入，反應產物不斷排出，燃料電池就能連續發電。燃料電池在汽車上的利用，停車時溫度將下降，使用時溫度需要提升，這使得燃料電池汽車的起動需要一段時間。而保持高溫狀態下，能量損失又變大。因此限于這些條件，適合于汽車用的應為接近常溫下使用的燃料電池類型。

圖2-19 燃料電池工作原理圖

目前，在燃料電池汽車的燃料電池使用上，美國廣泛應用的是質子交換膜燃料電池組（Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC），在日本一般使用固體高分子型燃料電池組（Proton Electrolyte Fuel Cell, PEFC）。質子交換膜燃料電池是用可傳導質子的聚合膜作為電解質，具有選擇透過H+的功能，其能量轉換效率理論上可達到80%，現在各國研發的PEMFC實際能量轉換效率只達到50%～60%，但具有比功率大、質量體積小、起動快、能耗少、壽命長、工作溫度低等特點，有利于在燃料電池汽車上布置。固體高分子型燃料電池使用涂有塑料催化劑的固體高分子電解質膜作為電解質，其工作溫度在80℃左右，可進行常溫起動而被認為是比較理想的車用燃料電池。

使用質子交換膜電池時，氫氣通過管道或者導氣板到達陽極，在陽極催化劑作用下，氫分子解離為帶正電的氫離子并釋放出帶負電的電子，氫離子以水合物（H3O+）的形式穿過質子交換膜到達陰極，電子則通過外電路到達陰極，在陰極催化劑作用下，氧與氫離子及電子發生反應生成水。使用固體高分子型電池時，燃料極側供給氫氣，空氣極供給氧氣，兩極之間是涂有塑料催化劑的固體高分子電解質膜和與外側電極一體化的膜-電極結合體（Membrance Electrode Assembly，MEA），燃料極側的氫離子通過這一膜到達空氣極側（H2→2H++2e）。從燃料極側通過外部導線到達空氣的負電子與氫離子結合生成氫氣，氫和氧一起結合生成水發熱（O2/2+2H++2e→H2O）。