燃料電池發電系統工作原理是什麼？

關於燃料電池的發電原理和電池效能評價指標

小夥們們來一起研究一下，由於燃料電池分類較多，在技術迭代和演變後，目前將質子交換膜燃料電池作為重點研究

結論先行：

質子交換膜燃料電池原理：

將氨氣 / 氧氣 / 固體電解質膜分別作為陽極燃料 / 陰極氧化劑 / 陰陽極隔膜來傳輸質子的化學反應。

一燃料電池的分類及其特性

由於燃料電池分類標準的不同導致劃分準則的不同，目前主流的劃分根據電解質性質來劃分。

因為電解質的溫度決定了燃料電池的工作溫度，電解質的酸鹼性決定了燃料電池的化學性質，電解質不同所使用的催化劑也不同。

目前常見的 5 種燃料電池： 鹼性燃料電池（AFC） / 磷酸型燃料電池（PAFC） / 熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC） / 固體氧化物燃料電池（SOFC） / 質子交換膜燃料電池（PEMFC）

燃料電池的發展過程：鹼性燃料電池→磷酸鹽燃料電池→熔融碳酸鹽燃料電池→固體氧化物燃料電池→質子交換膜燃料電池

由於燃料的發展歷史和技術迭代，其中鹼性燃料電池的能量利用率低，磷酸鹽燃料電池的金屬鉑極易 CO 中毒，熔融碳酸鹽燃料電池的600-700℃的工作溫度，固體氧化物燃料電池結構複雜和製作難度高，最終質子交換膜燃料電池成為了最佳的選擇。

二.質子交換膜燃料電池

由於目前資源短缺 / 環境汙染的挑戰，氫氣是一種新型的可持續發展的綠色能源，其具有清潔無汙染 / 來源廣泛 / 生成物是對大自然沒有汙染的水。質子交換膜燃料電池的發電系統反應原料就是氫氣，這與新型可持續發展戰略相契合。

1質子交換膜燃料電池的原理和特點

透過圖片展示1 kW 質子交換膜電池電堆，其由非常多的質子交換膜燃料單電池按照一定方式組合而成。

每一個質子交換膜燃料單電池又分為以下幾個部分：

雙闆闆 / 氣體擴散層 / 質子交換膜 / 電極

a)質子交換膜燃料電池原理

：反應原料透過管道輸送到燃料電池正極，在正極端發生氧化反應，釋放出電子的同時生成H+，反應生成的電子經外部迴路到達電池負極，電子的定向移動就產生了電能，H+穿過質子交換膜到達燃料電池負極，與燃料電池負極通入的空氣發生還原反應，生成清潔無汙染的水。

電極反應方程式：

b)質子交換膜燃料電池的優勢：

能量利用率高 / 電壓頻率穩定 /操作簡單和使用靈活 / 原料及產物清潔無汙染 。

2.燃料電池的構成

a）質子交換膜

質子交換膜是質子交換膜燃料電池的構成的核心元件，質子交換膜燃料電池的構成的質子交換膜與傳統電池隔膜不同處在於質子交換膜具有選擇性，它可同時保證質子透過的時候，將電子過濾出去，與傳統化學電池隔膜的無選擇性不同。燃料電池電解質膜具有以下特點：離子導通率高 / 具有良好的抗酸 / 抗鹼及抗氧化還原反應能力 / 耐高溫 / 透氣率低。

b）電極及電催化劑

電極由擴散層/催化層組成，其擴散層主要是由碳紙製作並作憎水處理，一般為外電路輸送電子。催化層由金屬鉑與石墨材料按一定比例配置而成。在質子交換膜燃料電池中，無論正極的氧化反應還是負極的還原反應，因為活化能的影響，一部分氧氣和氫氣需要在高電勢下才能發生反應，會降低了燃料電池的利用率。為了提高利用率，質子交換膜燃料電池將鉑做作為催化劑。為了降低成本，且提高催化劑抗腐蝕性，通常將鉑做成奈米級金屬顆粒的形式，即提高了催化活性，而且延長了催化劑使用壽命。

c）膜電極

膜電極也是燃料電池的核心部件。膜電極加上兩側極板就組成了一個最基本的燃料電池單元。質子交換膜燃料電池發電系統則是根據不同用電需求由若干燃料電池單元按不同組合方式連成的電池電堆。

d）雙極板

雙極板的結構是將燃料電池的正和負極分隔開，確保反應氣體可以均勻分佈在整個電極板表面。實驗室通常採用複合型雙極板，它由石墨板和不鏽鋼壓合而成，集成了石墨與不鏽鋼兩者的特質，具有抗腐蝕性 / 強度高 / 質量輕 / 易於加工等優點。

3.質子交換膜燃料電池發電系統構成

質子交換膜燃料電池是一個系統，其由電堆本體 / 反應原料和氧化劑迴圈模組 / 水和熱管理模組 / 控制模組 / 直流交流變換模組組成。各個模組之間既互有分工又相互聯絡。

反應原料和氧化劑迴圈模組

： 一邊向質子交換膜燃料電池 系統提供反應原料及氧化劑，一邊回收未完全反應的原料及氧化劑氣體以便於再次利用。

熱管理模組

： 監測質子交換膜燃料電池內部工作環境溫度，透過調整內部溫度來保證燃料電池能長期有效的工作執行。

控制模組

： 整個 PEMFC 系統的核心，對其他模組進行監督 / 控制。

加溼模組:

質子交換膜是由全氟磺酸樹脂膜製作，這種物質需要達到一定的含水量才可以傳導H+，因此反應原料和氧化劑氣體在進入質子交換膜之前必須加溼，這樣保證整個 質子交換膜燃料電池系統高效穩定執行。

交直流轉換模組

：由於質子交換膜燃料電池產生的是直流電，要用逆變器將直流電變成交流電才能正常使用。

質子交換膜燃料電池由於能量利用率高 / 電壓頻率穩定 /操作簡單和使用靈活 / 原料及產物清潔無汙染 等優勢，最終化學反應產物生成水的特性，讓其成為未來新能源發展的優秀燃料電池選擇。