精品 | 燃料电池工作原理

1.1 燃料电池的工作原理

氢气通过阳极流道到达阳极进气口，然后在扩散层中扩散传递到催化层，在催化层中的催化剂 Pt/C 的作用下发生氧化反应，生成氢离子并释放自由电子。氢离子通过与质子交换膜电解质中的酸根结合的方式，由阳极被运送的阴极，而自由电子会由外部电路从阳极运动至阴极。

氧气通过阴极流道到达阴极进气口，然后在扩散层中扩散传递到催化层，在催化层中的催化剂作用下发生还原反应，与外部电路运动过来的自由电子和阳极传递过来的氢离子结合生成水，并释放大量反应热。

阳极（负极）反应式：2H2 4H+ + 4e-

阴极（正极）反应式：O2 + 4e- + 4H+ 2H2O

总反应式：2H2 + O2 2H2O

燃料电池示意图

1.2 燃料电池电压极化

燃料电池的反应过程实际上可以看作是电解水的逆反应，在电极上有电流流过时，电极电势会由于一些不可逆的损失导致实际电动势小于理想电动势，使电极电势偏离其平衡值，此现象可称为极化现象。根据不同的产生原因，极化可以分成三个部分：

活化极化：就是用于克服电池内部的反应壁垒所需要的能量，又被称为电化学

极化。

欧姆极化：是指由于粒子在运输过程中受到阻碍而产生的能量损失，在这里主

要包括两个部分，一是电子通过电极材料以及电池各组件时造成的电阻压降，另一个是离子通过电解质穿越质子交换膜时而产生的电阻压降。

浓差极化：是由于反应物供给不及时而导致的，尤其是在大电流下，反应气体

不能及时参与电化学反应，将会引起电池电压的急剧下降。

1.3 各种燃料电池综合性能对比

1.4 燃料电池系统

燃料电池系统主要包括供氢系统、空气系统、冷却系统、主电系统。其中

供氢系统：主要作用就是给系统提供氢气燃料；

空气系统：就是给系统提供氧化还原反应的反应条件及环境；

冷却系统：在系统中的作用是使电池保持在适宜温度环境中工作；

主电系统：就是在系统测试时通过电子负载来控制电池的发电电压、发电电流等。（注：该系统通过USBCAN 来进行数据传输，由上位机发送指令控制系统启动，暂停等状态切换。）

参考文献

[1] 燃料电池状态监测系统设计_刘宇佳

[2] 燃料电池集成供电系统能量管理策略研究_李在强

[3] 燃料电池动力系统特性及其控制研究

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