42、便携式燃料电池：原理、挑战与创新设计

便携式燃料电池：原理、挑战与创新设计

1 燃料电池概述

燃料电池是一种将燃料（和氧化剂）的化学能持续转化为电能的伽伐尼装置。与电池类似，它通过电化学方式实现能量转换，不受热机卡诺循环的限制，因此具有高效转换的潜力。燃料电池与电池的本质区别在于能量供应方式。在燃料电池中，当需要电力时，燃料和氧化剂从外部源持续供应，只要活性物质被输送到电极，就能产生电能。而在电池中（金属/空气电池除外），燃料和氧化剂是装置的组成部分，当限制反应物消耗完时，电池就会停止产生电能，此时需要更换或充电。

燃料电池的电极材料是惰性的，在电池反应中不会被消耗，但具有催化性能，可增强反应物（活性物质）的电还原或电氧化反应。燃料电池中使用的阳极活性物质通常是气态或液态燃料，如氢气、甲醇、碳氢化合物、天然气等，这些燃料被输送到燃料电池的阳极侧。由于这些材料与热机中使用的传统燃料相似，“燃料电池”这一术语因此流行起来。氧气（通常是空气）是主要的氧化剂，被输送到阴极。

燃料电池技术可分为两类：
1. 直接系统 ：氢气、甲醇和肼等燃料可在燃料电池中直接反应。
2. 间接系统 ：天然气或其他化石燃料等燃料首先通过重整转化为富氢气体，然后再输送到燃料电池。

燃料电池系统可以有多种配置，具体取决于燃料和氧化剂的组合、电解质类型、运行温度、应用等因素。以下是根据电解质和运行温度区分的各种类型燃料电池的总结：
| 类型 | 电解质 | 运行温度 | 效率 | 特点及应用 |
| — | — | — | — | — |
| 固体氧化物（SOFC） | 固体氧离子传导金属氧化物电解质 | 约