新能源汽车概论-结构与原理

1）结构

燃料电池同普通电池概念完全不同，被称为燃料电池只是由于在结构形式上与电池有某种类似，外观、特性像电池，如图4-2-1所示，图4-2-1（a）为燃料电池堆和控制单元，图4-2-1（b）为空气处理系统。作为发电装置，它没有传统发电装置上的原动机驱动发电装置，而是由燃料同氧化剂反应的化学能直接转化为电能。只要不中断供应燃料，它就可以不停地发电，如图4-2-2所示。

燃料电池可以使用多种燃料，包括氢气、一氧化碳以及比较轻的碳氢化合物，氧化剂通常使用纯氧或空气。

图4-2-1　燃料电池

图4-2-2　燃料电池结构

2）燃料电池工作原理

燃料电池的基本原理相当于电解反应的可逆反应。如图4-2-3所示为燃料电池电化学反应原理。燃料及氧化剂在电池的阴极和阳极上借助催化剂的作用，电离成离子，由于离子能借助两电极中间的电解液在电极间迁移，因此在阴电极、阳电极间形成电压。在电极同外部负载构成回路时就可向外供电（发电）。

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图4-2-3　燃料电池电化学反应

理想的燃料电池系统是可逆热力学系统，在不同的工作温度、工作压力条件下，可通过热力学计算得出在理想可逆情况下燃料电池发电效率及单电池电压的变化规律，如图4-2-4所示。

图4-2-4　燃料电池发电效率及单电池电压的变化规律

实际上，开始反应产生电流时，燃料电池的工作电压降低得很多，其原因主要有以下3点：

①在电极上，活化氢气和氧气的能量要消耗一部分电动势。

②电极发生反应后，电池内部的物质移动扩散，所需能量消耗一部分电动势。

③由于电极与电解质之间有接触阻抗，电极和电解质本身也有电阻，也要消耗与电流大小成正比的电动势。

由于活化阻抗、扩散阻抗和电阻的综合作用，燃料电池单体的实际工作电压一般为0.6～0.8V。