燃料电池工作原理详解
燃料电池工作原理详解
燃料电池作为一种清洁高效的能源转换装置，在新能源领域备受关注。本文将从燃料电池的组成结构、工作过程、极化现象以及催化剂中毒等方面，为您详细解析燃料电池的工作原理。
前言
燃料电池是一种将燃料中的化学能直接转化为电能的装置，其基本原理是通过电化学反应将燃料和氧化剂的化学能转化为电能。燃料电池具有能量转换效率高、环境污染小、噪音低等优点，广泛应用于汽车、航空航天、分布式发电等领域。
组成结构
燃料电池系统通常由多个单体电池串联起来，其主要组成部分包括：
膜电极组件（MEA）：是一张薄片，是单电池核心部分的统称，包括了质子交换膜、催化层、气体扩散层等。
质子交换膜：是一种聚合物膜，具有离子交换能力，充当的是电解质的作用。
催化层：是一层空间区域，分别于质子交换膜和气体扩散层相邻，含有电催化剂涂层膜，具有离子和电子传导性。贵金属铂是催化剂的主要才原料，占电堆成本的15~25%左右。
气体扩散层（GDL）：又称多孔传输层，是一个多孔基层，放置在催化层和双极板之间。该层允许反应物进入催化层和反应产物的去除，并具备电接触特性。
双极板：又称双极隔离板，是一种导电板，布置在单电体的两侧，串联多个单体。作用1是充当电流集流体，从阳极端收集电子并向阴极端传递电子。作用2是隔离单电池，双极板通常在其两侧有为反应物分布(燃料和氧化剂)和生成物排除的流场,也可能包含传热通道，双极板提供了一个物理屏障,以避免氧化剂、燃料和冷却剂的混合。所用3是为膜电极组件提供机械支撑。常见的双极板有石墨双极板和金属双极板两种。
端板：又称为电池堆端板或压缩端板，位于燃料电池堆的两端，平行于膜电极和双极板，端板上包括夹紧板、接口、管道、歧管等。作用1是施加压紧力，将单电池堆叠在一起。作用2是给燃料电池堆提供流体(反应物,冷却液)。
工作过程
燃料电池的工作过程可以分为以下几个状态：
冷态（cold state）：燃料电池处在环境温度下，既没有能量输入也没有能量输出的状态。
钝态（passive state）：燃料或氧化剂系统，已经被水蒸气、空气或氨气等吹扫后的燃料电池状态。
预发电状态（pre-generationstate）：燃料电池处于足够的工作温度，并且电力输出为零，能够迅速切换到有可观电力输出的运行状态。
运行状态（operational state）：燃料电池有可观电力输出的状态。
存储状态（storage state）：燃料电池处于非运行状态，而且在制造商规定的条件下，可能需要输入热或电能或惰性气体，以避免组件性能衰减。
极化
极化是燃料电池的一种性能损失，单体电池的输出电压偏离其热力学数值，是电池组件内发生的不可逆过程。极化增加，电池效率损失，且随着通过电池电流的增加而增加。极化一般分为活化极化、欧姆极化和浓差极化。常用曲线来表示，即输出电压与输出电流的曲线，V对A / cm^2，示例如下：
催化剂中毒
催化剂中毒是指一氧化碳类物质的毒化作用，使催化剂的性能被抑制，导致燃料电池性能下降。可以通过注氧的方式把CO氧化掉，以恢复催化剂的活性。
参考资料
《GB/T 28816-2020 燃料电池 术语》