燃料电池(一): 什么是燃料电池？

       燃料电池是一种电化学能量转换装置，通过电化学方法结合燃料（通常为氢）和氧化剂（通常为氧气）来产生电和热。由于燃料电池能够在不需要燃烧的情况下将化学能直接转换成电能，只要供应燃料，它就能提供比传统内燃机高得多的转换效率。与相同功率输出的化石燃料的技术相比，更高的效率的同时还带来更低的二氧化碳排放和更少量的SOx和NOx。

燃料电池原理

       燃料电池由夹在电解质周围的两个电极组成。氢燃料被送入燃料电池的阳极，氧气（或空气）通过阴极进入燃料电池。

燃料电池组成

       在阳极处，氢在催化剂的作用下分解成氢离子和电子。氢离子通过电解质扩散到阴极，电子则由外部电路流向正极，从而形成电流。在正极上，氧气同电解液中的氢离子吸收抵达正极上的电子形成水。氢氧燃料电池直接将燃烧的化学能转化为电能，因此其具有效率高、污染小、噪音低的特点。

燃料电池工作原理

氢氧燃料电池基本反应

       从上面的反应式可以看出，在理想条件下燃料电池的开路电位（OCP）是1.23V。下图显示的是典型单个电池的性能（i-V特性），其中虚线表示理想状态，实线表示实际的性能。

燃料电池 i -V 特性

       从曲线上可以看出 OCP 要比理想的 OCP 低并且随着电流密度的增加而减小。四个主要因素导致这样的损失：

       ◆  活化或动力损失：由发生在电极表面的电荷传递反应的速率引起；

       ◆  欧姆或阻抗损失：由电子流过电极材料、连接处以及电解液的阻抗导致，并且和电流密度成比例；

       ◆  质量传递、扩散或浓度损失：由电极表面的反应物被用光后，浓度的改变引起；

       ◆  燃料扩散和内部电流：这种损失（上图没有标出）往往是由于没有利用的燃料通过电解液和通过电解液的电子传导引起的偏移电流引起。

燃料电池堆

燃料电池堆示意图

       燃料电池堆的基本构件包括阳极，阴极和电解质，其具有电连接，绝缘以及燃料和氧化剂流动所需的附加部件。此外，燃料电池堆具有集电器和隔板。

Metrohm Autolab

针对燃料电池相关电化学测试方法

01 循环伏安法（CV）

       通过CV可以获得各种组分的动力学信息。Autolab电化学工作站与SCAN250和ADC10M模块的组合，可以执行扫描速率高达250 kV / s的模拟扫描，以测量氢气吸脱附等快速过程。

02 线性扫描伏安法（LSV）

       LSV可用于确定燃料电池的i-V特性。通过Autolab电化学工作站，可以实现极低的电位扫描速率。

03 电化学阻抗谱（EIS）

       电化学阻抗谱（EIS）已成功应用于燃料电池的研究。EIS优于DC技术的优点之一是可以使用非常小的振幅信号而不会显著干扰测量。Autolab电化学工作站配合FRA32M阻抗模块与外置电流增压器，可以在高电流密度下进行EIS测量。