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離子在電場作用下，通過電解質遷移到陽極上，與燃料氣反應，構成回路，產生電流。

同時，由於本身的電化學反應以及電池的內阻，燃料電池還會產生一定的熱量。

電池的陰、陽兩極除傳導電子外，也作為氧化還原反應的催化劑。

當燃料為碳氫化合物時，陽極要求有更高的催化活性。

陰、陽兩極通常為多孔結構，以便於反應氣體的通入和產物排出。

電解質起傳遞離子和分離燃料氣、氧化氣的作用。

為阻擋兩種氣體混合導致電池內短路，電解質通常為致密結構。

燃料電池其原理是一種電化學裝置，其組成與一般電池相同。

其單體電池是由正負兩個電極(負極即燃料電極和正極即氧化劑電極)以及電解質組成。

不同的是一般電池的活性物質貯存在電池內部，因此，限制了電池容量。

而燃料電池的正、負極本身不包含活性物質，只是個催化轉換元件。

因此燃料電池是名符其實的把化學能轉化為電能的能量轉換機器。

電池工作時，燃料和氧化劑由外部供給，進行反應。原則上只要反應物不斷輸入，反應產物不斷排除，燃料電池就能連續地發電。

以氫-氧燃料電池為例來說明燃料電池。

氫-氧燃料電池反應原理這個反應是電解水的逆過程。

電極應為:負極:H2+2OH-→2H2O+2e-

正極:12O2+H2O+2e-→2OH-

電池反應:H2+12O2==H2O

另外，只有燃料電池本體還不能工作，必須有一套相應的輔助系統，包括反應劑供給系統、排熱系統、排水系統、電性能控制系統及安全裝置等。

燃料電池通常由形成離子導電體的電解質板和其兩側配置的燃料極(陽極)和空氣極(陰極)、及兩側氣體流路構成，氣體流路的作用是使燃料氣體和空氣(氧化劑氣體)能在流路中通過。

在實用的燃料電池中因工作的電解質不同，經過電解質與反應相關的離子種類也不同。PAFC和PEMFC反應中與氫離子(H+)相關，發生的反應為:

燃料極:H2==2H++2e-(1)

空氣極:2H++12O2+2e-==H2O(2)

全體:H2+12O2==H2O(3)

在燃料極中，供給的燃料氣體中的H2分解成H+和e-，H+移動到電解質中與空氣極側供給的O2發生反應。

e-經由外部的負荷回路，再反回到空氣極側，參與空氣極側的反應。

一系例的反應促成了e-不間斷地經由外部回路，因而就構成了發電。

並且從上式中的反應式(3)可以看出，由H2和O2生成的H2O，除此以外沒有其他的反應，H2所具有的化學能轉變成了電能。

但實際上，伴隨著電極的反應存在一定的電阻，會引起了部分熱能產生，由此減少了轉換成電能的比例。

引起這些反應的一組電池稱為組件，產生的電壓通常低於一伏。

因此，為了獲得大的出力需采用組件多層迭加的辦法獲得高電壓堆。

組件間的電氣連接以及燃料氣體和空氣之間的分離，采用了稱之為隔板的、上下兩面中備有氣體流路的部件，PAFC和PEMFC的隔板均由碳材料組成。

堆的出力由總的電壓和電流的乘積決定，電流與電池中的反應面積成比。

PAFC的電解質為濃磷酸水溶液，而PEMFC電解質為質子導電性聚合物系的膜。

電極均采用碳的多孔體，為了促進反應，以Pt作為觸媒，燃料氣體中的CO將造成中毒，降低電極性能。

為此，在PAFC和PEMFC應用中必須限制燃料氣體中含有的CO量，特別是對於低溫工作的PEMFC更應嚴格地加以限制。

磷酸燃料電池的基本組成和反應原理是:燃料氣體或城市煤氣添加水蒸氣後送到改質器，把燃料轉化成H2、CO和水蒸氣的混合物，CO和水進一步在移位反應器中經觸媒劑轉化成H2和CO2。

經過如此處理後的燃料氣體進入燃料堆的負極(燃料極)，同時將氧輸送到燃料堆的正極(空氣極)進行化學反應，借助觸媒劑的作用迅速產生電能和熱能。

相對PAFC和PEMFC，高溫型燃料電池MCFC和SOFC則不要觸媒，以CO為主要成份的煤氣化氣體可以直接作為燃料應用，而且還具有易於利用其高質量排氣構成聯合循環發電等特點。

含有電極反應相關的電解質(通常是為Li與K混合的碳酸鹽)和上下與其相接的2塊電極板(燃料極與空氣極)，以及兩電極各自外側流通燃料氣體和氧化劑氣體的氣室、電極夾等，電解質在MCFC約600~700℃的工作溫度下呈現熔融狀態的液體，形成了離子導電體。

電極為鎳系的多孔質體，氣室的形成采用抗蝕金屬。

MCFC工作原理。空氣極的O2(空氣)和CO2與電相結合，生成CO32-(碳酸離子)，電解質將CO32-移到燃料極側，與作為燃料供給的H+相結合，放出e-，同時生成H2O和CO2。化學反應式如下:

燃料極:H2+CO32-==H2O+CO2+2e-(4)

空氣極:CO2+12O2+2e-==CO32-(5)

全體:H2+12O2==H2O(6)

在這一反應中，e-同在PAFC中的情況一樣，它從燃料極被放出，通過外部的回路反回到空氣極，由e-在外部回路中不間斷的流動實現了燃料電池發電。

另外，MCFC的最大特點是，必須要有有助於反應的CO32-離子，因此，供給的氧化劑氣體中必須含有碳酸氣體。

並且，在電池內部充填觸媒，從而將作為天然氣主成份的CH4在電池內部改質，在電池內部直接生成H2的方法也已開發出來了。

而在燃料是煤氣的情況下，其主成份CO和H2O反應生成H2，因此，可以等價地將CO作為燃料來利用。

為了獲得更大的出力，隔板通常采用Ni和不鏽鋼來製作。

SOFC是以陶瓷材料為主構成的，電解質通常采用ZrO2(氧化鋯)，它構成了O2-的導電體Y2O3(氧化釔)作為穩定化的YSZ(穩定化氧化鋯)而采用。

電極中燃料極采用Ni與YSZ複合多孔體構成金屬陶瓷，空氣極采用LaMnO3(氧化鑭錳)。

隔板采用LaCrO3(氧化鑭鉻)。

為了避免因電池的形狀不同，電解質之間熱膨脹差造成裂紋產生等，開發了在較低溫度下工作的SOFC。

第0239章預告無法解決的技術問題

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