燃料电池的基本原理和组成

一、燃料电池的定义

燃料电池（Fuel Cell，FC）属于化学电池，可直接将物质发生化学反应时释出的能量转化为电能。燃料电池工作时，需要外界连续地为其供给活性物质（活性物质包括：燃料和氧化剂）。

      二、燃料电池的基本原理和组成

以氢燃料电池为例：氢燃料电池通过氧与氢结合成生成水的电化学反应而发电。燃料电池的基本组成包括：阳极（负极）、阴极（正极）、电解质、外电路。  

图片来源：学堂在线《新能源汽车》    
三、燃料电池的优点  
（1）节能、能量转换效率高。因为燃料电池在放电反应过程中不产生燃烧现象，所以其能量转换效率不受卡诺循环的限制（根据网络资料理解：卡诺循环的限制是指两个热源通过热传导传递能量时，因能量只能从高温热源传递至低温热源，而导致能量转换效率受到两热源温度差值的限制），其能量转换效率可处于60%~80%之间（内燃机能量转换效率在40%左右）。  
（2）基本无排放、无污染。如果燃料电池使用碳氢化合物作为燃料，放电后的产物为水、二氧化碳、一氧化碳等，属于“超低污染”；如果燃料电池使用氢作为燃料，放电后的产物只有水。  
（3）无振动、噪声。燃料和氧化剂在燃料电池的两个电极处发生化学反应，并由电解液和外电路构成回路将化学能直接转化为电能，此过程无机械振动和噪声产生。  
（4）结构简单、运行平稳。燃料电池能量转换静态完成（个人理解：相比较于内燃机能量转化需要气缸和曲轴动态完成），结构简单，构件精度低，运行平稳。    
四、燃料电池的缺点  
（1）燃料问题 氢燃料电池中氢气的生产、储存、保存 、运输、灌装或重整等过程均较复杂且对安全性要求高。  
（2）燃料电池需严格密封 燃料电池单体电压约1.0V，使用时通常需要组合。单体电池连接时需严格密封，防止氢气泄露而导致的氢气利用率降低或事故。
  （3）造价高 电极需使用贵金属作为催化剂，制造成本较高。  
（4）需配置辅助电池系统 因为燃料电池不可充电和回收制动再生能量（回收刹车能量），所以燃料电池汽车需要辅助电池储存多余电能和汽车减速制动时可回收的能量。  
  五、燃料电池系统
  燃料电池的本质是发电系统，以质子交换膜燃料电池（燃料电池的一个子类）为例，燃料电池包括：燃料供应系统、氧化剂系统、发电系统、水管理系统、热管理系统、电力系统、控制系统、安全系统等。  
（1）燃料供应系统：为燃料电池提供燃料，燃料包括氢气、天然气、甲醇等。  
（2）氧化剂系统:：为燃料电池提供氧气；也可以提供空气，但空气需要被加湿和压缩。
  （3）发电系统：可理解为燃料电池本身，可将化学能转化为电能并无燃烧现象。  
（4）水管理系统：水管理系统可将燃料电池阴极附近生成的水及时排出。
  （5）热管理系统：燃料电池大功率发电时会产生热量，需热管理系统控制温度。  
（6）电力系统：将直流电转为用户用电。  
（7）控制系统：控制系统的功能包括：电池系统启动与停工、运行操控、检测、判断等。  
（8）安全系统：主要保证氢气安全使用，安全系统的组成包括：探测器、数据处理系统、灭火设备等。    

编辑：黄飞