基于DSP的燃料电池测控系统硬件设计(3)
2 质子交换膜燃料电池（PEMFC）概述
2.1 燃料电池概述
2.1.1 燃料电池的基本概念
燃料电池的本质是一种发电装置，不同于日常生活中的普通电池。原电池(也称一次电池)是将化学能储存在电池内部的化学物质中，工作时再将其内部的化学能转变成电能，所以，它只是一个有限的电能输出和储存装置，其最大容量等于参与电化学反应的化学物质完全反应所能产生的电能。而蓄电池(也称二次电池)则是利用外部供给的电能生成电化学反应物质，电池工作时再将存储于内部的化学能转变成电能，实质上它也是一个电能的存储装置，用来实现化学反应能和电能之间的互相转换。而燃料电池则不同，参与化学反应的氮和氧，分别由燃料电池外部的单独储存系统来提供，只要不断向燃料电池提供氢和氧，燃料电池就可以连续地产生电能。作为一种发电装置，燃料电池与传统的柴(汽)油发电机组相比，具有如下特点：
(1)高效:由于不受卡诺循环的限制，其理论热电转化效率可达85%~90%，实际转化效率在60%~70%左右，若实现热电联供，燃料的总利用率可到80%以上。
(2)低噪声:运转部件少，减弱了传统机械传动时的噪声影响，运行时非常安静。目前，距离40kW的燃料电池工作电站4.6m处的噪声仅为60dB。
(3)高可靠性:机械部件少，工作温度低，工作安全可靠。
(4)良好的操作性能:系统结构简单，模块化的设计使得燃料电池组拆分、组合极其方便，可以轻易地校正由频率引起的各种偏差，确保了整个系统的稳定性。具有良好的部分载荷性能，可对输出负载快速响应。
(5)环境效益好:理论上其唯一的生成物是水，对大气环境没有任何污染。作为一种新兴的绿色能源，燃料电池被认为是继水力、火力、核能之后的第四代能源，具有巨大的开发潜力，它在航空航天、分布式电站、常规动力电源、军用特殊供电等领域的应用研究得到了世界各国的关注，成为氢能时代最受瞩目的新型电源。
2.1.2 燃料电池的分类及各自应用特点
燃料电池根据所使用的电解质不同可分为碱性燃料电池（AFC）、磷酸燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池（SOFC）、质子交换膜燃料电池（PEMFC）等。在燃料电池中，磷酸燃料电池(PAFC)、质子交换膜燃料电池（PEMFC）可以冷起动和快起动，可以用作为移动电源，适应FCEV使用的要求，更加具有竞争力。因此我们将根据不同种类的燃料电池进行分类介绍：
（1）碱性燃料电池（AFC）。碱性燃料电池是该技术发展最快的一种电池，主要为空间任务，包括航天飞机提供动力和饮用水。使用的电解质为水溶液或稳定的氢氧化钾基质，且电化学反应也与羟基（OH）从阴极移动到阳极与氢反应生成水和电子略有不同。这些电子是用来为外部电路提供能量，然后才回到阴极与氧和水反应生成更多的羟基离子。
碱性燃料电池的工作温度大约80℃。因此，它们的启动也很快，但其电力密度却比质子交换膜燃料电池的密度低十来倍，在汽车中使用显得相当笨拙。不过，它们是燃料电池中生产成本最低的一种电池，因此可用于小型的固定发电装置。
（2）磷酸燃料电池（PAFC）。磷酸燃料电池是当前商业化发展得最快的一种燃料电池。正如其名字所示，这种电池使用液体磷酸为电解质，通常位于碳化硅基质中。磷酸燃料电池的工作温度要比质子交换膜燃料电池和碱性燃料电池的工作温度略高，位于150 - 200℃左右，但仍需电极上的白金催化剂来加速反应。其阳极和阴极上的反应与质子交换膜燃料电池相同，但由于其工作温度较高，所以其阴极上的反应速度要比质子交换膜燃料电池的阴极的速度快。