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燃料电池的工作原理 燃料电池的工作原理 「2.】引,Y 燃料电池（FC)是ー种通过电化学过程将燃料与氧化剂的化学能转化为电能 的发电装置，其产生的电能可用于电动汽车、电子设备、家用电器供电或直接并 入电网。过去几十年，由于燃料电池技术具有洁净、高效的优点，受关注程度越 来越高。燃料电池与储能电池的区 别在于，燃料电池内部无任何存储材料用于存 储能量，而是直接将进人燃料电池的燃料与氧化剂反应，产生电能；与传统热机 的区 别在于，燃料电池直接将化学能转化为电能，而无需转换为机械能的中间过 程。燃料电池以氢气作为燃料，产物只有水和热量。 1839年，英国律师和物理学家威廉•格罗夫爵士首次演示了燃料电池运行的 基本原理，其采用四个原电池，利用氢气和氧气最终产生了电能。然而，这一重 大发现直到100多年以后才获得应用。1950年，另一位英国科学家弗兰西斯•培 根制作了首个具有应用价值的燃料电池：碱性燃料电池原理样机。20世紀50年代 和60年代，燃料电池获得广泛关注，美国国家航空航天局 （NASA )陆续开发了 多款燃料电池样机，显示出燃料电池在航天领域具有广阔的应用前景，燃料电池 也因此得到商业公司的青睐。然而，这ー时期燃料电池的开发因技术和经济因素 所限，发展緩慢。1984年，美国能源部开始资助燃料电池技术的研发，ー些燃料 电池技术因而获得商业化应用。燃料电池后续研发主要在于降低成本、提高可靠 性和运行性能。通过进ー步研发，燃料电池技术将获得更大进步，并有望在2050 年以前发展成为ー种可靠的能源。 本章将首先简要介绍与燃料电池电能、热能相关的热力学、电化学过程等基 础知识，然后介绍燃料电池的工作原理，并对不同类型燃料电池进行简要对比。 然后将介绍电解器的工作原理，其利用直流电将水转化为氢气和氧气。 [2.2元永的化学能与热能 化学能是ー种存在于元素原子之间或分子之间化学键的能量。每个化学键都 蕴含一定程度的化学能，并可通过化学反应转化为其他形式的能量。用于破坏化 学键所吸收的能量称之为熵，两个被破坏的化学键重新组合生成更稳定分子过程 中释放的能量称之为焓。如果释放的能量大于吸收的能量，整个过程称之为焓变; 反之，称之为熵变。化石燃料燃烧是产生能量的最主要焓变之一。植物光合作用 是典型的熵变过程：在光合作用过程中，植物吸收的能量大于其释放的能量。 从宏观角度来看，热能或热量可认为是存在温差的两个系统之间传递的能量。 从微观角度来看，热能与原子或分子运动有关。不同形式的能量可转化为热能， 23 燃料电池的建模与控制及其在分布式发电中的应用1 バ， パ__ ハ-.-じ ，ハ}へ〜:バジへ-パ：.レ…-:m,- つ，， いい；欠 热能也可以根据热力学第二定律转化为其他形式的能量。因此，热能可看作是最 基本的能量形式。 [}. 3热が；^•础 鉴于能量转化过程中的热力学分析在对燃料电池等电化学过程进行建模时尤 为重要，本节将简要介绍热力学基础知识。 2.3.1热力学第一定律 根据热力学第一定律，系统的能量是守恒的，并以热或功的形式存在，既不 能凭空产生，也不能任意创造，只能以ー种形式转化为另外ー种形式。系统的能 量变化 （d£；)定义为整个系统的能量 （d の与整个系统対外做功 （dF)之 差。即 d£ = d(? - dW (2. 1) 式（2.〗）表示系统对外做功。若外界发生改变不会影响系统状态，则该系统可看 作孤立系统，外界可以是系统所处的外部环境。特別值得关注的是不受毛细作用、 固相畸变、外部电磁场或重力场、内部绝热壁影响的简单系统，其系统总能量等 于系统总内能，即 E = U (2.2) 若无特 别说明，本章中电化学定律和热力学定律只针对简单系统进行分析。 对于特定的控制体或开放系统，当系统在恒定压 カ下吸收热量时，通常会发 生膨胀。部分热量会导致内能増加和系统温度升高，其余热量