1.3 组成和原理

燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置，又称电化学发电机。根据是否有电池串/并联，燃料电池可分为单电池（single fuel cell）和电池堆（fuel cell stack）。单电池含有阴、阳两电极，如图1-6所示，分别包括阴/阳极的双极板（bipolar plates，BPP）、气体扩散层（gas diffusion layer，GDL）、催化层（catalyst layer，CL）等，其中阴、阳两电极被选择性电解质隔开，起到阻隔电子和反应物、生成物通过的作用，而电解质和阴/阳极的气体扩散层、催化层构成的部件叫作膜电极组件（membrane electrode assembly，MEA），是影响PEM燃料电池性能、能量密度分布及其工作寿命的核心部件。

燃料电池各组成部件中，气体扩散层主要起到支撑催化层、分布反应气、收集生成物水和收集电流的作用；催化层包含氢还原或氧还原催化活性较好的催化剂，主要分别用于催化燃料和氧化剂；电解质起隔离和选择性通过的作用，既要允许氢离子顺利通过，又要隔离阳极侧的燃料和阴极侧的氧化剂在电解质之间扩散通过，还需要对电子绝缘，阻碍电子通过电解质形成无效电流（又称“内电流”）而导致燃料利用率的损失，氢氧燃料电池的电解质可通过水，且性能与含水量有关；双极板一般由石墨板或不锈钢板制成，两侧分别包含可供阴极、阳极反应气体流过的流道，可将燃料和氧化剂按一定流场形式供应到催化剂的反应活性位点，同时是反应产物流出的通道、收集产生的电流并为MEA提供机械支撑，因此，双极板的选择要求是高电导率、高机械强度、不渗透反应气体、抗腐蚀、易于制造且成本低廉、来源广泛等。

以氢氧燃料电池为例，其工作原理如图1-7所示，在燃料极（又称“阳极”）中，在催化剂催化作用下，供给燃料气体中的H2分解成H+和电子e-，H+移动到电解质中与氧气极（又称“阴极”）侧供给的O2发生反应；电子e-经由外部的负载回路，再返回到阴极侧，参与阴极侧的反应，最终在阴极催化层内生成反应物水，如此，大量H2和O2分别在阳极侧和阴极侧的氧化还原反应促成了电子e-不间断地定向经过外部回路中的负载设备，因而就形成了发电过程。在电渗透力的作用下，阳极侧水会通过电解质膜流向阴极侧，同时由于膜两侧的含水量不同，存在水浓度差，阴极侧水会通过电解质膜反渗透扩散至阳极侧，两侧的水会在电渗透力和反扩散的共同作用下形成动态平衡。最后，阴极生成物水和未反应的氧气（或空气）由阴极出口排出，而阳极未反应的燃料由阳极出口排出。

氢氧燃料电池反应是电解水的逆过程，电极反应和电池总反应分别如下：

阳极反应为

阴极反应为

电池反应为

从反应式（1-4）中可以看出，由H2和O2生成H2O，除此以外没有其他的反应，H2所具有的化学能转换成了电能。但实际上，由于电极的反应存在一定的电阻，会引起少量热量的产生，因此减小了转换成电能的比例。能发生这些反应的一组电池称为单电池，单电池产生的电压通常低于1V。

单电池的催化活性面积较小，因此功率也较小，通常不能满足用户对功率的需求，一般将几个、几十个、几百个燃料电池单电池串联、并联在一起，构成燃料电池堆。电池堆由MEA、密封圈、双极板、端板、螺栓构成，如图1-8所示。其中，密封圈是保证电池堆气密性和安全性的重要部件，在螺栓和适当组装力的配合下，确保电池堆内部的气体不会外泄，并保证电子在气体扩散层和双极板之间能顺畅地传输。