氢燃料电池反应原理.docx
氢燃料电池反应原理一、构成和原理氢能，作为来源丰富、绿色低碳的新型能源，是我国能源结构转型和实现可持续发展的重要一环。氢燃料电池，是一种通过化学反应来利用氢能的发电装置，工作过程中只生成水，实现了真正意义的零排放。相比传统燃烧燃料的方法，氢燃料电池有着更高的能源转化效率和更低的排放，成为未来环保能源的重要技术之一。氢燃料电池主要由燃料电池电堆和燃料电池系统其他部分（包括空压机、增湿器、氢循环泵、氢瓶等多个组件）构成。而电池电堆又是燃料电池的核心部分，包含催化剂、质子交换膜、气体扩散层、双极板，以及其他结构件的集流板、密封件、端板等各种部件。其中,电堆所占的成本就约占燃料电池系统成本的65%其基本原理是利用氢气和氧气在电极上发生氧化还原反应，从而产生电能。该反应式如下:2H2+022H20+2e-其中，氢气在阳极上被氧化成离子和电子，而氧气在阴极上被还原成水。离子通过电解质传递到阴极，电子则通过外部电路传递到阳极，形成电流。由于氧化还原反应产生的电位差，电流可以用于驱动外部电路和设备。二、氢燃料电池的特点与传统能量转换技术相比，氢燃料电池技术拥有诸多优势，因而其有巨大的应用前景。氢燃料电池的主要优势如下1、无污染氢燃料电池对环境无污染。它是通过电化学反应，而不是采用燃烧（汽、柴油）或储能（蓄电池）方式一一最典型的传统后备电源方案。燃烧会释放像COX、NOX、SOX气体和粉尘等污染物。如上所述,燃料电池只会产生水和热。如果氢是通过可再生能源产生的（光伏电池板、风能发电等），整个循环就是彻底地不产生有害物质排放的过程。2、噪声小氢燃料电池运行安静，噪声大约只有55dB,相当于人们正常交谈的水平。这使得燃料电池适合于室内安装，或是在室外对噪声有限制的地方。3、高效率氢燃料电池的发电效率可以达到50%以上，这是由燃料电池的转换性质决定的，直接将化学能转换为电能，不需要经过热能和机械能（发电机）的中间变换。氢能源燃料电池的原理是，电解水的逆反应，把氢和氧分别供给阳极和阴极，氢通过阳极向外扩散和电解质发生反应后，放出电子通过外部的负载到达阴极。氢燃料电池指的是氢通过与氧的化学反应而产生电能的装置（单纯依靠燃烧氢来驱动的“氢内燃机”，也曾出现过，比如宝马的氢能7系）。氢燃料电池车的驱动力来自车上的电动机就像纯电动车一样，因此氢燃料电池车可以理解为一辆“自带氢燃料发电机的电动车”。氢能源燃料电池的优点：无污染：氢燃料电池对环境无污染。通过电化学反应，而不是采用燃烧（汽、柴油）或储能（蓄电池）方式。燃烧会释放像一氧化碳气体和粉尘等污染物。燃料电池只会产生水和热。无噪声：氢燃料电池运行安静，噪声大约只有55dB,相当于人们正常交谈的水平。这使得燃料电池适合于室内安装，或是在室外对噪声有限制的地方。高效率：氢燃料电池的发电效率可以达到50%以上，由燃料电池的转换性质决定，直接将化学能转换为电能，不需要经过热能和机械能（发电机）的中间变换。氢燃料电池是一种将氢气作为燃料，通过化学反应产生电能的装置。相比传统燃烧燃料的方法，氢燃料电池有着更高的能源转化效率和更低的排放，成为未来环保能源的重要技术之一。本文将介绍氢燃料电池的工作原理。三、电化学反应氢燃料电池的基本原理是利用氢气和氧气在电极上发生氧化还原反应，从而产生电能。该反应式如下：2H2+022H20+2e-其中，氢气在阳极上被氧化成离子和电子，而氧气在阴极上被还原成水。离子通过电解质传递到阴极，电子则通过外部电路传递到阳极，形成电流。由于氧化还原反应产生的电位差，电流可以用于驱动外部电路和设备。四、电极和电解质氢燃料电池的电极通常由贵金属制成，如钳、钿和错。阳极上的贵金属催化剂可以促进氢气的氧化反应，从而产生电子。阴极上的贵金属催化剂可以促进氧气的还原反应，从而接受电子并形成水。电极与电解质之间的物理隔离可以防止氧气和氢气混合产生爆炸。电解质是一种可离子化的物质，通常是固体聚合物或液体溶液。它们具有良好的离子传递和阻挡电子传输的性能，可以防止电极之间的电子直接传递，同时使离子得以传递到阴极。典型的电解质包括固体聚合物膜和液态电解质溶液。五、氢气输入氢气输入是氢燃料电池工作的重要组成部分。通常，氢气以压力瓶的形式储存，并通过管道输入到阳极。为了确保氢气输入的纯度和质量，通常需要使用氢气净化系统。氢气净化系统可以通过去除杂质和不纯物质，提高氢气的纯度和质量，从而确保电池的正常运行。六、应用前景氢燃料电池技术具有广泛的应用前景，在能源转化和储存领域具有很高的价值。氢气作为一种清洁、高效的能源，可以广泛应用于交通运输、工业生产、航空航天和家庭能源等领域。氢燃料电池的应用可以降低能源消耗和环境污染，对于实现可持续发展和环保能源的开发具有重要意义。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：H22H+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：l202+2H+2e-H20总的化学反应为：H2+12O2=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。3PEMFC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。(I)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。国际上，PEMFC研究开发领域的权威机构是加拿大Ballard能源系统公司。美国H-Power公司于1996年研制出世界上第一辆以PEMFC发电机为动力源的大巴士5。近年来，我国对燃料电池电动车的研发也极为重视，被列入国家重点科技攻关计划。上海神力公司、富原燃料电池有限公司、清华大学、中科院大连化物所已分别研制出游览观光车、中巴车样车，其性能接近或达到国际先进水平。(2)PEMFC作为固定式电源的应用PEMFC除适用于作为交通电源外，也非常适合用于固定式电源。既可与电网系统互联，用于调峰；也可作为独立电源，用作海岛、山区、边远地区、或作为国防（人防）发供电系统电源。采用多台PEMFC发电机联网还可构成分散式供电系统。分散式供电系统有很多优点：可省去电网线路及配电调度控制系统；有利于热电联供（由于PEMFC电站无噪声，可就近安装，PEMFC发电所产生的热可进入供热系统），可使燃料总利用率高达80%以上；受战争和自然灾害等影响比较小，尤其适宜于现代战争条件下的主动防护需要；通过天燃气、煤气重整制氢，可利用现有天燃气、煤气供气系统等基础设施为PEMFe提供燃料；通过再生能源制氢（电解水制氢、太阳能电解制氢、生物制氢）则可形成循环利用系统（这种循环系统特别适用于边远地区、人所），使系统建设成本和运行成本降低。国际上普遍认为，随着燃料电池的推广应用，发展分散型电站将是一个趋势。
