燃料电池堆芯的组装就这么拿捏住了

1-1.燃料电池的概念电池对于大家是不陌生的，从日常使用的干电池，再到现在发展迅猛的新能源锂电池，都是一种将化学能转换成电能的能量转换装置。燃料电池也是一种能量转换装置，同样是将化学能转换成电能，所以同样可以被称作“电池”。燃料电池与常规电池的工作方式是不同的，常规电池将能量储存在电池内部，而燃料电池的燃料（还原剂）和氧化剂不是储存在电池内部的，燃料是储存在电池外部的储存罐中。当燃料电池在工作时，需要源源不断地向电池内部提供燃料与氧化剂，这也就是为什么被称为“燃料”电池。燃料电池需要提供燃料的工作方式，类似于常规的汽油或柴油发动机，所以燃料电池也被称为燃料电池发动机。1-2.燃料电池的分类日常我们所提到的燃料电池，泛指氢燃料电池，就是以氢气为燃料，空气为氧化剂的燃料电池，再具体一点就是质子交换膜燃料电池（ProtonExchangeMembraneFuelCell），也叫聚合物电解质燃料电池（PolymerElectrolyteMembraneFuelCell），会发现一个有意思的地方，就是它俩的简称都可以是PEMFC。当然，燃料电池分很多种，之所以我们可以以点概面，是因为PEMFC离我们的生活最近,发展最快，应用最广。后续所说的燃料电池就是指PEMFC，简称“氢燃料电池”.燃料电池根据电解质的不同，大体可进行如下分类，表1-1所示。表1-1燃料电池的技术状态燃料电池还可以根据温度进行分类，其中PEMFC属于低温燃料电池，工作温度通常低于100℃，目前最佳工作温度在80℃左右，一般用冷却水出口的温度来代表PEMFC的工作温度。1-3氢燃料电池的反应1-3-1氢燃料电池的工作过程正如前文所说，氢燃料电池工作的时候，需要源源不断地向电池内部提供氢气与氧化剂（空气），如图1-1所示，氢气侧：氢气经过极板引流，再通过气体扩散层的扩散作用到达催化剂表面，在催化剂的催化作用下，分解成带正电荷的氢离子（H+）和带负电荷的电子(e-)，H+通过质子交换膜到达空气侧，e-则沿外电路经过负载到达空气侧；空气侧：空气（O2）同样是经过极板的引流，再通过气体扩散层的扩散作用到达催化剂表面，在催化剂的催化作用下，H+、e-和O2发生反应生成水。氢气侧的反应式：H2⇋2H++2e-(1-1)空气侧的反应式：1/2O2+2H++2e-⇋H2O(1-2)总反应式：H2+1/2O2→H2O(1-3）图1-1质子交换膜燃料电池氢离子（H+）和电子(e-)都能到达空气侧，但是所经过的路径是不同的，离子经过离子导体，电子经过电子导体，电子导体：在电场作用下电子作为载流子作定向运动的导体，如金属、半导体等；离子导体：正、负离子作为载流子的导电载，如电解质溶液、离子液体等。某些聚合物材料也可以制成含有可移动的H+离子，因为H+离子也称为质子，所以这些材料通常被称为“质子交换膜”，这也是质子交换膜燃料电池名称的由来。1-3-2氢气的高热值与低热值总反应式（1-3）与氢气燃烧反应式相同，氢气燃烧是一个放热的过程，所以燃料电池的反应过程中同样会释放大量的热。H2+1/2O2→H2O+Q热（1-4）水存在的形态为固、液、气，因为反应是放热的，反应物的水只能以气态或液态存在。那么水的气态与液态会有什么不同呢？根据初中物理知识“蒸发吸热”的基本原理，可知当反应物为气态时，反应所释放的热量会减少，因为部分的热量被液态转变气态时所吸收。从这个现象就可以得出，氢气的热值会因为反应物的形态不同而不同，反应物为气态水时，因为释放的热量少，氢气的热值就低，称为氢的低热值；反应物为液态水时，因为释放的热量多，氢气的热值就高，称为氢的高热值。H2+1/2O2→H2O(g)+241kJmol-1(1-5)H2+1/2O2→H2O(l)+286kJmol-1(1-6)为什么化学反应会释放热量？氢氧之间的反应实质上氢-氢键和氧-氧键被破坏，而氢-氧键形成的过程，其中这些键是通过电子转移而断裂和形成的。产物水键合构成的能量低于初始氢气和氧气的键合构成的能量，这种能量差以热量的形式释放出来，因为必须要服从热力学定律。1-3-3氢燃料电池的电极根据电子的移动方向可定义，氢气侧为氢燃料电池的负极（-），空气侧为氢燃料电池的正极（+）；阳极、阴极是根据氧化还原反应来定义的，发生氧化反应的电极为阳极；发生还原反应的电极为阴极。氢气侧的反应是失去电子的，所以为氧化反应，故氢气侧为氢燃料电池的阳极；空气侧的反应是得到电子，所以为还原反应，故空气侧为氢燃料电池的阴极。由前文可知，电子通过电子导体从阳极到达阴极，离子通过离子导体从阳极到达阴极，那就证明电化学反应是发生在电子导体与离子导体之间的界面上，氢燃料电池中的电子导体包括极板、气体扩散层及外电路，离子导体就是质子交换膜，那么氢燃料电池的电极实质上就是催化剂薄层，即发生氧化还原反应的地方。电化学反应的地方也是气体（氢与氧）、电极（催化剂）与电解质（质子交换膜）相遇的地方，发生这种情况的位置通常称为“三相界面”。1-3-4氢燃料电池的活化能垒氢气燃烧时，除了需要助燃剂氧气外，还需要一定的火源才能发生燃烧反应，同样，氢气在阳极的氧化反应并不能认为是无条件进行的，它是符合大多数化学反应的能量形式。如图1-2所示。图1-2化学反应的能量图通过以上能量图可知，氢气发生化学反应需要克服一定的活化能垒，其中使用催化剂可以降低反应的活化能垒，让反应更容易的进行。氢燃料电池的电化学反应速率是由电荷的转移速度决定的，而电荷从电解质转移到电极时又要必须克服活化能垒，所以降低活化能垒能有效的提高电化学反应速度。除了使用催化剂能降低活化能垒，升高反应温度和增大电极面积也可以降低活化能垒。电极面积是有限的，同时氢燃料电池属于低温燃料电池，所以催化剂对于燃料电池来说是至关重要的，这也是为什么铂催化剂这么贵也必须得用的原因，也是氢燃料电池必须要突破的核心技术。持续更新中...第二章见‍‍‍‍‍来源：闲村野夫