燃料电池汽车的工作原理解析

燃料电池汽车的燃料电池的基本元件是两个电极夹着一层高分子薄膜作为电解质。阴阳两极，除碳粉外也包含白金粉末，便于加快催化氧化反应。燃料电池汽车的工作原理是，使作为燃料的氢在汽车搭载的燃料电池中，与大气中的氧发生化学反应，从而产生出电能启动电动机，进而驱动汽车。甲醇、天然气和汽油也可以代替氢，不过会产生极度少的二氧化碳和氮氧化合物。总的来说，这类化学反应除了电能就只产生水。因此，燃料电池汽车被称为“地道的环保车”。

独立的燃料电池堆不能应用于汽车，它必须和燃料供给与燃料循环系统、氧化剂供给系统、水/热管理系统和一个能控制各种开关和泵的控制系统组成燃料电池发动机才能对外输出功率，燃料供给和循环系统在提供燃料的同时回收阳极尾气中未反应的燃料。目前最成熟的技术是以纯氢为燃料，系统结构相对简单，仅由氢源、减压阀和循环回路组成。

具体的过程如下：

1.阳极

氢分子气体输入被制成多孔结构的阳极板，经过质传到达阴极后，在催化下分解反应：

电子由阳极导向外接电路，形成电流。而氢离子也由阳极端，透过可导离子性质（电子绝缘体）的高分子薄膜电解质，抵达阴极。

2.阴极

空气输入阴极，氧气分子质传到阴极，与电子及氢离子起电化学反应，而产生水及1.229伏特的电压。反应如下：

3.燃料电池的基本组成

燃料电池的主要构成组件为：电极（Electrode）、电解质隔膜（Electrolyte Membrane）与集电器（Current Collection）等。(www.xing528.com)

（1）电极

燃料电池的电极是燃料发生氧化反应与还原剂发生还原反应的电化学反应场所，其性能的好坏关键在于触媒的性能、电极的材料与电极的制程等。

电极主要可分为两部分，其一为阳极（Anode），另一为阴极（Cathode），厚度一般为200～500mm。其结构与一般电池之平板电极的不同之处在于燃料电池的电极为多孔结构。设计成多孔结构，主要是因为燃料电池所使用的燃料及氧化剂大多为气体（例如氧气、氢气等），而气体在电解质中的溶解度并不高，为了提高燃料电池的实际工作电流密度与降低极化作用，故发展出多孔结构的电极，以增加参与反应的电极表面积，而这也是燃料电池当初之所以能从理论研究阶段步入实用化阶段的关键原因之一。

目前高温燃料电池的电极主要以触媒材料制成，例如固态氧化物燃料电池（简称SOFC）的Y203-stabilized-ZrO2（简称YSZ）及熔融碳酸盐燃料电池（简称MCFC）的氧化镍电极等，而低温燃料电池则主要是由气体扩散层支撑一薄层触媒材料而构成，例如磷酸燃料电池（简称PAFC）与质子交换膜燃料电池（简称PEMFC）的白金电极等。

（2）电解质隔膜

电解质隔膜的主要功能是分隔氧化剂与还原剂，并传导离子，故电解质隔膜越薄越好，但亦需顾及强度。就现阶段的技术而言，其一般厚度在数十毫米至数百毫米。至于电解质隔膜的材质，目前主要朝两个方向发展，其一是先以石棉（Asbestos）膜、碳化硅（SiC）膜、铝酸锂（LiAlO3）膜等绝缘材料制成多孔隔膜，再浸入熔融锂-钾碳酸盐、氢氧化钾与磷酸等中，使其附着在隔膜孔内；另一则是采用全氟磺酸树脂（例如PEMFC）及YSZ（例如SOFC）。

（3）集电器

集电器又称作双极板（Bipolar Plate），具有收集电流、分隔氧化剂与还原剂、疏导反应气体等功用。集电器的性能主要取决于其材料特性、流场设计及加工技术。

燃料电池电动汽车的主要电机有：永磁电机、无刷直流电动机、开关磁阻电机和特种电机。