3。4 本章小结 36

结 论 37

致 谢 38

参 考 文 献 39

第一章 绪论

1。1 引言

能源，作为生存和成长的基础，伴随社会和经济的日益发展，资源匮乏，环境不 断污染，生态遭受破环等日益严重，能源需求也愈加矛盾。当前，世界的能源消费结 构是以化石燃料为主，大多数国家以天然气或石油为主，其中还有如中国等少数国家 仍是以煤炭等为主要能源。在这无论是工农业，服务业，还是高新技术产业都处在有 史以来发展最为快速的阶段，对于能源的需求也大幅度的提高，从家电到汽车发动机， 都需要能源去运作。可，根据专家的推测，以目前能源消耗的速度来看，煤炭只能维 持一二个世纪，而天然气，石油等最多只能坚持不到五十年。因此，无论哪种常规的 能源结构，人类所面临的能源危机都是日益严重，开发新能源已迫在眉睫。

1。2 燃料电池

与常规能源相对，新能源是另一个概念。伴随社会发展，新能源的内涵也处于不 断的更新中。就目前而言，其主要包括风能、核能、海洋能、化学能、地热能、氢能 与生物质能等。而燃料电池就属于其中之一，正备受关注。

燃料电池，其不同于普通电池的原理和结构，是依托提供的燃料和氧化剂，将其 中的化学能直接转变成电能的设备。由于活性物质是放置于电池外部，只要提供燃料 和氧化物就能够不断发电。

1。2。1 燃料电池的组成

燃料电池，作为一个复杂的系统，由燃料和氧化剂供给，控制，热管理以及水管 理等子系统构成。

1。2。2 燃料电池的种类

燃料电池的种类很多，分类方式也不同。按运行机理的不同来分，可分为酸性燃 料电池和碱性燃料电池；按其电解质的不同，分为碱性燃料电池、磷酸燃料电池、熔 融碳酸盐燃料电池、质子交换膜燃料电池和固体氧化物燃料电池。按其燃料的类型的 不同，可分为氢气燃料电池、甲醇燃料电池 、甲烷燃料电池和乙醇燃料电池等。

1。3 质子交换膜燃料电池

质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell）是燃料电池的一种， 在原理上相当于水电解的逆装置。其单电池由阴极、阳极与质子交换膜组成，阳极是 氢燃料发生氧化的场所，阴极是氧化剂还原的场所，两极都加有催化剂来加速电极电 化学的反应，以质子交换膜为电解质。工作时，其相当于直流电源，阳极即电源的负 极，阴极为电源的正极。

图 1-1：质子交换膜燃料电池示意图。图片来源于文献[1]

Figure 1-1 Schematic of proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) from Ref[1]

1。3。1 质子交换膜燃料电池的特点

（1）能量转化的效率很高：由于通过氢氧的化合作用，无需热机过程，可将化 学能直接转化为电能，不受卡诺循环限制；

（2）可实现零排放：由于其产物为水，是一种环保型能源；

（3）低声运行，较为可靠：由于质子交换膜燃料电池组不存在机械运动的部件， 工作时只存在着气体和水的流动，相对安静；

（4）维护方便：电池组内部的结构简单，电池模块呈现的为积木化结构，方便 电池组的组装和维护；同时，也可实现免维护；