燃料电池

燃料电池通过空间分离的电极反应，将连续供应的燃料和氧化剂的化学能直接转化为电能，而无需燃烧。

Definition

一种电化学装置，通过在阳极连续氧化外部供应的燃料并在阴极还原氧化剂（通常是氧气）来产生电能，离子通过电解质传输。

Scope

本主题涵盖燃料电池的运行原理：燃料（如氢气）的阳极氧化和氧气的阴极还原，离子导电电解质或膜的作用，按电解质和温度区分的主要电池类型，氧还原反应的动力学限制，以及相对于热力学极限的效率。它阐述了燃料电池为何在氢基能源系统中占据核心地位。

Core questions

• 燃料电池如何无需燃烧即可直接从燃料中产生电能？
• 离子导电电解质或膜在分离半反应中扮演什么角色？
• 为什么氧还原反应会限制性能，催化作用如何解决这个问题？
• 燃料电池类型在电解质、工作温度和应用方面有何不同？

Key theories

连续电化学氧化

与电池不同，燃料电池内部不储存反应物；燃料和氧化剂连续流向空间分离的电极，因此只要供应持续，就会产生电能，从而将功率与储存容量解耦。

氧还原过电位

阴极多电子氧还原反应的缓慢动力学导致了较大的过电位，这是效率损失的主要原因，从而推动了铂族和替代电催化剂的开发。

Clinical relevance

燃料电池为车辆、固定发电和便携式系统提供清洁、高效的电力，对氢经济战略（旨在实现交通和工业脱碳）至关重要；其成本和耐用性取决于催化剂和膜的进步。

History

格罗夫在1839年基于舍恩拜因的观察结果演示了气态伏打电池；培根在20世纪中叶开发了实用的碱性燃料电池，为阿波罗任务提供了动力，而质子交换膜电池从1990年代起在交通领域逐渐成熟。

Key figures

• William Grove
• Francis Thomas Bacon
• Christian Friedrich Schönbein

Seminal works

• winter2004
• ohayre2016
• newman2004

Frequently asked questions

为什么燃料电池比内燃机效率更高？

它们通过电化学方式将化学能直接转化为电能，因此不受限制热机的卡诺极限的束缚，从而实现更高的效率，尤其是在部分负载下。

为什么氢燃料电池需要昂贵的铂催化剂？

阴极的氧还原反应动力学非常缓慢，铂族金属提供了所需的活性以保持可接受的过电位；减少或替代这种催化剂是主要的研发目标。