四、燃料电池

燃料电池的一般结构为燃料（负极）+电解质（液态或回态）+氧化剂（正极）。在燃料电池中，负极常称为燃料电极或氢电极，正极常称为氧化剂电极、空气电极或氧电极。

燃料有气态，如氢气、一氧化碳、二氧化碳和碳氢化合物；有液态，如液氢、甲醇、高价碳氢化合物和液态金属；有固态，如碳等。按照电化学性能的强弱，燃料的活性排列次序为氢＞醇＞一氧化碳＞烃＞煤。燃料的化学结构越简单，制造燃料电池时出现的问题越少。

电解质是离子导电而非电子导电的材料，液态电解质分为碱性电解液和酸性电解液，固态电解质有质子交换膜和氧化锆隔膜等。在液态电解质中应采用微孔膜，其厚度为0.2～0.5 mm；在固态电解质应采用无孔膜，其厚度约为20μm。氧化剂为纯氧、空气和卤素。

燃料电池的反应为氧化还原反应，电极的作用是一方面传递电子，另一方面在电极表面发生多相催化反应，反应不涉及电极材料本身。这一特点与一般化学电池中电极材料参加化学反应不同，电极表面起催化剂的作用。

氢氧燃料电池的反应为氧化还原反应，氢和氧在各自的电极上发生反应，氧电极进行氧化反应，放出电子，氢电极发生还原反应，吸收电子，总反应为O2+2H2=2H2O，反应结果是氢和氧发生电化学燃烧，产生水和电能。

燃料电池工作的中心问题是燃料和氧化剂在电极过程中的反应活性问题。对于气体电极过程，必须采用多空气体扩散电极和高效电催化剂，增大比表面，提高反应活性，增大电池比功率。(https://www.daowen.com)

氢在负极的氧化过程是氢原子离解为氢离子和电子的过程。若用有机化合物燃料，首先需要催化裂化或重整，生成富氧气体，必要时还要除去毒化催化剂的有害物质。这些反应可在电池外部或内部进行，但需添加辅助系统。正极中的氧化反应缓慢，燃料电池的活性主要依赖正极。随着温度的升高，氧的还原反应有一定的改善。高温反应有利于提高燃料电池的反应活性。

对于燃料电池的发电系统，其核心部件是燃料电池组，它由燃料电池单体堆积而成。单体电池的串联或并联的选择，主要依据满足负载的输出电压和电流，并使总电阻最小，尽量减小电路短路的可能性。

其余部件是燃料预处理装置、热量管理装置、水量管理装置、电压变换调整装置和自动控制装置。通过燃料预处理，实现燃料的生成和提纯。燃料电池的运行或启动，有的需要加热，而工作的时候又放出大量的热量，这些都需要热量管理装置进行合理的加热或散热。燃料电池工作时，在碱性电解液负极或酸性电解液正极生成水，为了保证电解液浓度的稳定，生成的水要及时排除。高温燃料电池生成的水会汽化，容易排除，水量管理装置将实现合理的排水。燃料电池和化学电池一样，输出直流电压，需要通过电压变换调整装置将直流电压转换为交流电压后送到用户或电网。

燃料电池的发电系统通过自动控制装置，使各个部件协调工作，进行统一的控制和管理。目前，由于燃料氢的获取需要大量的能量，其存储和运输都有很大的困难，所以，燃料电池尚未在风力发电系统中得到广泛的应用。