燃料電池是一種電化學(xué)能量轉(zhuǎn)換裝置，通過電化學(xué)方法結(jié)合燃料（通常為氫）和氧化劑（通常為氧氣）來產(chǎn)生電和熱。由于燃料電池能夠在不需要燃燒的情況下將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能，只要供應(yīng)燃料，它就能提供比傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)高得多的轉(zhuǎn)換效率。與相同功率輸出的化石燃料的技術(shù)相比，更高的效率的同時還帶來更低的二氧化碳排放和更少量的SOx和NOx。

燃料電池原理

       燃料電池由夾在電解質(zhì)周圍的兩個電極組成。氫燃料被送入燃料電池的陽極，氧氣（或空氣）通過陰極進(jìn)入燃料電池。

燃料電池組成

       在陽極處，氫在催化劑的作用下分解成氫離子和電子。氫離子通過電解質(zhì)擴(kuò)散到陰極，電子則由外部電路流向正極，從而形成電流。在正極上，氧氣同電解液中的氫離子吸收抵達(dá)正極上的電子形成水。氫氧燃料電池直接將燃燒的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，因此其具有效率高、污染小、噪音低的特點(diǎn)。

燃料電池工作原理

氫氧燃料電池基本反應(yīng)

       從上面的反應(yīng)式可以看出，在理想條件下燃料電池的開路電位（OCP）是1.23V。下圖顯示的是典型單個電池的性能（i-V特性），其中虛線表示理想狀態(tài)，實(shí)線表示實(shí)際的性能。

燃料電池 i -V 特性

       從曲線上可以看出 OCP 要比理想的 OCP 低并且隨著電流密度的增加而減小。四個主要因素導(dǎo)致這樣的損失：

       ◆  活化或動力損失：由發(fā)生在電極表面的電荷傳遞反應(yīng)的速率引起；

       ◆  歐姆或阻抗損失：由電子流過電極材料、連接處以及電解液的阻抗導(dǎo)致，并且和電流密度成比例；

       ◆  質(zhì)量傳遞、擴(kuò)散或濃度損失：由電極表面的反應(yīng)物被用光后，濃度的改變引起；

       ◆  燃料擴(kuò)散和內(nèi)部電流：這種損失（上圖沒有標(biāo)出）往往是由于沒有利用的燃料通過電解液和通過電解液的電子傳導(dǎo)引起的偏移電流引起。

燃料電池堆

燃料電池堆示意圖

       燃料電池堆的基本構(gòu)件包括陽極，陰極和電解質(zhì)，其具有電連接，絕緣以及燃料和氧化劑流動所需的附加部件。此外，燃料電池堆具有集電器和隔板。

Metrohm Autolab

針對燃料電池相關(guān)電化學(xué)測試方法

01 循環(huán)伏安法（CV）

       通過CV可以獲得各種組分的動力學(xué)信息。Autolab電化學(xué)工作站與SCAN250和ADC10M模塊的組合，可以執(zhí)行掃描速率高達(dá)250 kV / s的模擬掃描，以測量氫氣吸脫附等快速過程。

02 線性掃描伏安法（LSV）

       LSV可用于確定燃料電池的i-V特性。通過Autolab電化學(xué)工作站，可以實(shí)現(xiàn)極低的電位掃描速率。

03 電化學(xué)阻抗譜（EIS）

       電化學(xué)阻抗譜（EIS）已成功應(yīng)用于燃料電池的研究。EIS優(yōu)于DC技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)之一是可以使用非常小的振幅信號而不會顯著干擾測量。Autolab電化學(xué)工作站配合FRA32M阻抗模塊與外置電流增壓器，可以在高電流密度下進(jìn)行EIS測量。