氢能源开发及利用（四）24 氢燃料电池（续）4．2 燃料电池的工作原理
4．2．1 燃料电池仅是个能量转换装置
燃料电池是一种电化学装置，其组成与一般电池一样，都由正负两个电极及电解质组成。所不同的是，一般电池两极内部就存在活性物质，活性物质消耗完了，也就不能发电了，而燃料电池的正负极本身并不包含活性物质，它们只是个催化转换元件。燃料电池工作所需的燃料和氧化剂由外部供给，它仅仅是个能量转换装置。原则上只要反应物能从外部不断供给，其反应产物能不断排除，燃料电池就能不断发电。
4．2．2 燃料电池的基本工作原理
燃料电池的负极（阴极）是燃料电极，其正极（阳极）是氧化剂电极，电解质则与燃料电池的类型有关。这里以氢氧燃料电池、电解质为碱（KOH）为例，说明它的基本工作原理。
氢氧燃料电池由形成离子导电体的电解质板和在其两侧配置的燃料极（阳极）和氧化剂极（阴极）以及两侧的气体流路构成。气体流路是使燃料气体和氧化剂气体的通路。
氢氧燃料电池的化学反应过程类似于水分解的逆过程：
负极： H2 + 2OH – → 2 H2O + 2e –
正极： 1/2 O2 + 2 H2O + 2 e – → 2OH –
电池反应： H2 + 1/2 O2 → H2O
除了燃料电池本体外，还必须有一套相应的辅助系统。包括反应剂的供给系统、排热系统、排水系统、电性能控制系统和安全装置。
在实用的燃料电池中因电解质不同，经过电解质与反应的相关的离子种类也不同。例如磷酸型燃料电池（PAFC）、质子膜燃料电池（PEFMC）反应中与氢离子（H+）相关，发生的反应也会有些不同：
负极（燃料极）： H2 → 2 H + + 2 e –
正极（空气极）： 2 H + + 1/2 O2 + 2 e – → H2O
电池反应： H2 + 1/2 O2 → H2O
图1为氢氧燃料电池的构成模式、图2为氢氧燃料电池的反应循环。
图1 氢氧燃料电池的构成模式 图2 氢氧燃料电池的反应循环
从图中可看出：
在燃料极上，供给的燃料气体中的H2分解为H + 和e – ，H + 移动到电解质中与空气极侧供给的O2发生反应；而e – 则经外部负荷电路，再返回空气极侧，参与空气极侧的反应。 这些反应促使e – 不断经由外部负荷电路，因而形成了电流，构成了燃料电池的“发电”。
从燃料电池总体的反应看来，仅仅发生H2和O2的反应而生成水（H2O），H2的化学能则都转换成了电能。实际上电极还存在电阻，还会由此生成部分热能，因此，能量转换还是有一定损失的。
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