第1章 燃料电池概述

1.1 什么是燃料电池？

我们可以把燃料电池（fuel cell，FC）想象成一个“工厂”，输入的是燃料，输出的是电能，如图1-1所示，只要提供原材料（燃料），燃料电池就会源源不断地生产出产品（电能）。这是燃料电池和蓄电池之间的主要区别，虽然两者都依靠电化学发挥作用，但燃料电池在发电时不会被消耗，理想条件下可持续不间断地运行，它实际上是一个“工厂”，将储存在燃料中的化学能转换为电能。

图1-1 燃料电池（H2-O2）“工厂”概念

如此看来，内燃机也是“工厂”，内燃机是将储存在燃料中的化学能转换为有用的机械能或者热能。那么内燃机和燃料电池有什么区别呢？

在传统的内燃机中，燃料燃烧释放热量。考虑最简单的例子，氢气的燃烧反应式为

在分子尺度上，氢分子和氧分子之间的碰撞导致化学反应，氢分子被氧化，产生水并释放热量。具体来说，在1皮秒内的原子尺度上，氢-氢键和氧-氧键被破坏，而氢-氧键形成。其中，这些键通过分子之间的电子转移而断裂和形成。产物水键合构型的能量低于初始氢气和氧气的键合构型的能量，这种能量差以热量的形式释放出来。尽管初始和最终状态之间的能量差异是通过电子从一种键合状态移动到另一种键合状态时的重新配置而发生的，但这种能量只能以热量的形式恢复，因为键合重新配置会在1皮秒内以紧密的亚原子尺度上发生。

为什么化学反应会释放热量？因为，原子是一切物质的基础，它们几乎总是喜欢在一起而不是以单独一个个体存在。当原子聚集在一起时，它们会形成键，从而降低它们的总能量。图1-2显示了氢-氢键的典型能量与原子核间距曲线，当氢原子彼此远离时（位置①），不存在键且体系具有最高能量；随着氢原子彼此接近，系统能量降低，直到达到最稳定的键合位置（位置②）；氢原子之间的进一步重叠在能量上是不利的，此时原子核之间的排斥力开始占主导地位（位置③）。

图1-2 氢-氢键能与原子核间距曲线

概括来讲，成键时会释放能量，当键断裂时需要吸收能量。对于导致能量净释放的反应，产物键形成释放的能量必须大于破坏反应物键所吸收的能量。

化石能源的燃烧是一种常见的能量净释放的化学反应，图1-3所示为H2-O2燃烧反应示意图（箭头表示参与反应分子的相对运动），为了发电，这种热能须先转换为机械能，然后须将机械能转换为电能，而完成所有这些步骤可能很复杂且效率低下。

图1-3 H2-O2燃烧反应示意图

考虑另一种解决方案：通过电子从高能反应物键向低能产物键移动时以某种方式利用电子，直接在化学反应中产生电能，这就是燃料电池的作用。但问题是，我们如何利用在1皮秒内亚原子尺度上重新配置的电子？答案是在空间上分离氢气和氧气反应物，以便键合重构所需要的电子转移发生在大大扩展的长度范围内，然后，随着电子从燃料移动到氧化剂，就形成了可以利用的电流。