质子交换膜燃料电池的工作原理

【陆地方舟电动汽车网ddc.】质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)通常是以可传导离子的全氟磺酸型固体聚合物为电解质的燃料电池，因此也称聚合物电解质燃料电池、固体聚合物燃料电池或固体聚合物电解质燃料电池。该聚合物膜是酸性的，因此迁移的离子为氢离子或质子。质子交换膜燃料电池是由纯氢和作为氧化剂的氧或空气一起供给燃料。

PEMFC在原理上相当于水电解的“逆”装置。其单电池由阳极、阴极和质子交换膜组成，阳极为氢燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂，一般采用铂／炭或铂-钌／炭为电催化剂，质子交换膜为电解质，氢或净化重整气为燃料，空气或纯氧为氧化剂，带有气体流动通道的石墨或表面改性的金属板为双极板。其工作原理如图所示。

 

质子交换膜燃料电池的工作原理

导入的氢气通过阳极集流板（双极板）经由阳极气体扩散层到达阳极催化剂层，在阳极催化剂作用下，氢分子分解为带正电的氢离子（即质子）并释放出带负电的电子，完成阳极反应，阳极发生的电化学反应为

 

质子交换膜燃料电池采用的全氟磺酸膜是一种酸性电解质，传导的离子为质子，阳极氢分子分解的质子穿过膜到达阴极催化剂层，电子则由集流板收集，通过外电路到达阴极，电子在外电路形成电流，通过适当连接可向负载输出电能；在电池阴极，氧气通过集流板（双极板）经由阴极气体扩散层到达阴极催化剂层。在阴极催化剂的作用下，氧与透过膜的氢离子（即质子）及来自外电路的电子发生反应生成水，完成阴极反应，阴极发生的电化学反应为

 

所以总的电池电化学反应为

 

电极反应生成的水大部分以水蒸气态移出燃料电池，一小部分在压力差的作用下通过膜向阳极扩散。上述过程是理想的工作过程，实际上，在整个反应过程中会有很多中间步骤和中间产物的存在。