氢能与质子交换膜燃料电池
氢能与质子交换膜燃料电池
1 序言
为解决能源短缺、环境污染等问题，开发清洁、高效的新能源和可再生能源已十分紧迫。氢
能因燃烧热值高、污染小、资源丰富成为新能源的对象，氢燃料电池作为氢能利用的有效手
段，已被美国《时代》周刊评为 21 世纪有重要影响的十大技术之一。
2 氢燃料电池工作原理
“ ”燃料电池本质是水电解的 逆 装置，主要由 3 部分组成，即阳极、阴极、电解质，如图
1[3]。其阳极为氢电极，阴极为氧电极。通常，阳极和阴极上都含有一定量的催化剂，用来加
速电极上发生的电化学反应。两极之间是电解质。
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
车载电源等。二是用作自行车、摩托车、汽车等交通工具的动力电源，以满足环保对车辆排放
的要求。从目前发展情况看，PEMFC 是技术最成熟的电动车动力电源。
摘要：
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氢能与质子交换膜燃料电池1序言 为解决能源短缺、环境污染等问题，开发清洁、高效的新能源和可再生能源已十分紧迫。氢能因燃烧热值高、污染小、资源丰富成为新能源的对象，氢燃料电池作为氢能利用的有效手 段，已被美国《时代》周刊评为21 世纪有重要影响的十大技术之一。2氢燃料电池工作原理 “”燃料电池本质是水电解的逆装置，主要由3 部分组成，即阳极、阴极、电解质，如图1[3]。其阳极为氢电极，阴极为氧电极。通常，阳极和阴极上都含有一定量的催化剂，用来加 速电极上发生的电化学反应。两极之间是电解质。 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...
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作者：闻远设计
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