背景

燃料電池是將燃料和電解質(zhì)的化學能直接轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電裝置，也是繼火電、水電、核電之后的第四種發(fā)電裝置，是當今發(fā)達國家十分重視的高新技術(shù)開發(fā)領域。

工作原理

氫氧燃料電池以氫氣作燃料為還原劑，氧氣作氧化劑，通過燃料的燃燒反應，將化學能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿?span id="a6smusm" class='hrefStyle'>電池，與原電池的工作原理相同。

氫氧燃料電池工作時，向氫電極供應氫氣，同時向氧電極供應氧氣。氫、氧氣在電極上的催化劑作用下，通過電解質(zhì)生成水。這時在氫電極上有多余的電子而帶負電，在氧電極上由于缺少電子而帶正電。接通電路后，這一類似于燃燒的反應過程就能連續(xù)進行。

工作時向負極供給燃料（氫），向正極供給氧化劑（氧氣）。氫在負極上的催化劑的作用下分解成正離子H+和電子e-。氫離子進入電解液中，而電子則沿外部電路移向正極。用電的負載就接在外部電路中。在正極上，氧氣同電解液中的氫離子吸收抵達正極上的電子形成水。這正是水的電解反應的逆過程。

氫氧燃料電池不需要將還原劑和氧化劑全部儲藏在電池內(nèi)的裝置。

氫氧燃料電池的反應物都在電池外部它只是提供一個反應的容器

氫氣和氧氣都可以由電池外提供。

燃料電池是一種化學電池，它利用物質(zhì)發(fā)生化學反應時釋出的能量，直接將其變換為電能。從這一點看，它和其他化學電池如鋅錳干電池、鉛蓄電池等是類似的。但是，它工作時需要連續(xù)地向其供給反應物質(zhì)——燃料和氧化劑，這又和其他普通化學電池不大一樣。由于它是把燃料通過化學反應釋出的能量變?yōu)殡娔茌敵?，所以被稱為燃料電池。

具體地說，燃料電池是利用水的電解的逆反應的"發(fā)電機"。它由正極、負極和夾在正負極中間的電解質(zhì)板所組成。最初，電解質(zhì)板是利用電解質(zhì)滲入多孔的板而形成，2013年正發(fā)展為直接使用固體的電解質(zhì)。

工作時向負極供給燃料（氫），向正極供給氧化劑（空氣，起作用的成分為氧氣）。氫在負極分解成正離子H+和電子e-。當氫離子進入電解液中，而電子就沿外部電路移向正極。用電的負載就接在外部電路中。在正極上，空氣中的氧同電解液中的氫離子吸收抵達正極上的電子形成水。這正是水的電解反應的逆過程。此過程水可以得到重復利用，發(fā)電原理與可夜間使用的太陽能電池有異曲同工之妙。

燃料電池的電極材料一般為惰性電極，具有很強的催化活性，如鉑電極、活性碳電極等。

利用這個原理，燃料電池便可在工作時源源不斷地向外部輸電，所以也可稱它為一種"發(fā)電機"。

一般來講，書寫燃料電池的化學反應方程式，需要高度注意電解質(zhì)的酸堿性。在正、負極上發(fā)生的電極反應不是孤立的，它往往與電解質(zhì)溶液緊密聯(lián)系。如氫—氧燃料電池有酸式和堿式兩種：

若電解質(zhì)溶液是堿、鹽溶液則

負極反應式為：

正極反應式為：

若電解質(zhì)溶液是酸溶液則

負極反應式為：

正極反應式為：

總反應方程式為：

在堿溶液中，OHˉ含量極高，故負極處生成的H+會直接與OHˉ結(jié)合生成水，而正極處生成的OHˉ由于缺少H+結(jié)合而以離子的形態(tài)存在。酸性溶液則正好相反。

組成結(jié)構(gòu)

以氫氣作燃料、氧氣作氧化劑的一類燃料電池。氫氧從外部通過管道輸入電池進行電化學反應并輸出電能。氫氧燃料電池的理論比能量達3600瓦·時/公斤。單體電池的工作電壓一般為0.8～0.97伏,為了滿足負載所需的工作電壓，往往由幾十個單體電池串聯(lián)成電池組。

為維持電池的正常運轉(zhuǎn)，須持續(xù)供應氫和氧，及時排除反應產(chǎn)物（水）和廢熱。電池組由以下幾部分組成：①氫氧供給分系統(tǒng)：航天器攜帶的氫和氧采用超臨界液態(tài)貯存，可縮小貯罐體積，解決失重條件下氣、液態(tài)的分離問題，但要求貯罐絕熱性能好、耐低溫、耐高壓（氧罐為6兆帕、氫罐為3～3.5兆帕）。②排水分系統(tǒng)：主要有動態(tài)排水和靜態(tài)排水兩種方式。前者把帶有水蒸氣的氫氣循環(huán)輸送到冷卻裝置，使水蒸氣冷凝成水進行分離；后者依靠多孔纖維編織材料（如燈芯）將冷凝后的水吸附出來，又稱燈芯排水。電池組排出的水經(jīng)凈化后可供航天員飲用或作冷卻劑。③排熱分系統(tǒng)：電池組通過冷卻劑（如乙二醇水溶液）循環(huán)，將廢熱帶到輻射器向外排放，以維持電池組正常工作的溫度范圍。④自動控制分系統(tǒng)：包括電池組工作壓力、溫度、排水與排氣、電壓、安全和冷卻液循環(huán)等的控制與調(diào)節(jié)。所測量的參數(shù)傳送到航天員座艙的顯示器或由遙測設備發(fā)回地面。當電池組出現(xiàn)故障時，自動切換到備份電池組供電。

電池分類

氫氧燃料電池按電池結(jié)構(gòu)和工作方式分為離子膜、培根型和石棉膜三類。

①離子膜氫氧燃料電池：用陽離子交換膜作電解質(zhì)的酸性燃料電池,現(xiàn)代采用全氟磺酸膜。電池放電時,在氧電極處生成水，通過燈芯將水吸出。這種電池在常溫下工作、結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕,但離子交換膜內(nèi)阻較大,放電電流密度小。

②培根型燃料電池：屬堿性電池。氫、氧電極都是雙層多孔鎳電極(內(nèi)外層孔徑不同)，加鉑作催化劑。電解質(zhì)為80%～85%的苛性鉀溶液，室溫下是固體，在電池工作溫度(204～260°C)下為液體。這種電池能量利用率較高，但自耗電大，起動和停機需較長的時間（起動需24小時，停機17小時）。

③石棉膜燃料電池：也屬堿性電池。氫電極由多孔鎳片加鉑、鈀催化劑制成，氧電極是多孔銀極片，兩電極夾有含35%苛性鉀溶液的石棉膜，再以有槽鎳片緊壓在兩極板上作為集流器,構(gòu)成氣室,封裝成單體電池。放電時在氫電極一邊生成水,可以用循環(huán)氫的辦法排出,亦可用靜態(tài)排水法。這種電池的起動時間僅15分鐘，并可瞬時停機。

主要特點

1.產(chǎn)物是水，清潔環(huán)保;

2.容易持續(xù)通氫氣和氧氣,產(chǎn)生持續(xù)電流;

3.能量轉(zhuǎn)換率較高,超過80%(普通燃燒能量轉(zhuǎn)換率30%多);

4.可以組合為燃料電池發(fā)電站,排放廢棄物少,噪音低,綠色發(fā)電站。[2]

應用領域

作為極具發(fā)展前途的新動力電源，氫氧燃料電池的應用領域是多方面的：

1、大型電站發(fā)電

2、便攜移動電源

3、應急電源

4、家庭電源

5、飛機、汽車、軍艦

研發(fā)設備

再生式

將電池反應產(chǎn)物（水）通過電解器轉(zhuǎn)變成反應物（氫和氧），再重復使用以產(chǎn)生電能的燃料電池，由燃料電池和電解器兩部分組成。可以作為大功率太陽電池陣電源系統(tǒng)的貯能裝置。有日照時，太陽電池陣提供電能給航天器負載，還用于將水電解成氫和氧，使部分電能貯存起來。航天器進入陰影區(qū)太陽電池不能發(fā)電或供電不足時，由這種燃料電池供電。氫氧燃料電池是不需要將還原劑和氧化劑全部儲藏在電池內(nèi)的裝置。

靜態(tài)排水

2014年6月13日，中國航天八院811所研制出靜態(tài)排水燃料電池模塊，該模塊成功實現(xiàn)高電流密度的長時間穩(wěn)定放電，在國內(nèi)首次實現(xiàn)連續(xù)8小時無氣體排放。