燃料电池介绍
燃料电池汽车的研究及应用
燃料电池汽车的研究及应用
现代交通给我们的生活带来了便利,也给地球环境造成了严重的污染。世界能源的争夺和资源的枯竭使得人类开始寻找能源替代品。因此,发展燃料电池汽车是一个既经济又环保的选择。本文将从燃料电池汽车的定义、工作原理、优缺点、应用现状和未来前景等方面进行介绍。
一、燃料电池汽车的定义
燃料电池汽车,简称FCV,是以燃料电池为能源发动机,通过制造水和电能来驱动发动机,实现汽车运行的一种清洁型绿色能源汽车。其最关键的部件是燃料电池,由电化学反应将氢气和氧气转化成电能或者直接将氢气化学反应产生的热能转化成动能。
二、燃料电池汽车的工作原理
燃料电池汽车是一种通过化学反应转换能量的汽车。与传统的燃油汽车不同,燃料电池汽车的燃料是氢气,氧气是氧化剂。燃料电池通过电化学反应将氢气、氧气反应生成水,将化学能转化为电能,然后利用电能带动电机驱动汽车。这样既不会产生废气,又不会产生二氧化碳等人类需要减少的有害气体。
三、燃料电池汽车的优缺点
1. 优点
(1)零排放:使用氢气作为燃料,电化学反应后产物只有水,不会产生一氧化碳、二氧化碳等有害物质,达到零排放的效果。
(2)高效节能:燃料电池驱动汽车时,转化效率高达50%-60%,相对于传统汽车完全燃烧的发动机效率高了一倍。
(3)长续航:燃料电池汽车的可行驶里程可以达到500-700公里,可以满足
大部分人的使用要求。
2. 缺点
(1)技术难度高:燃料电池的核心部件是燃料电池堆,必须保证对氢气的纯
度和温度都有很严格的要求,技术难度较大。
(2)氢气贮存成本高:氢气的贮存需要经过特别的氢气充电站,建立起充电
燃料电池介绍
燃料电池
燃料电池(Fuel Cell)是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。燃料和空气分别送进燃料电池,电就被奇妙地生产出来。它从外表上看有正负极和电解质等,像一个蓄电池,但实质上它不能“储电〞而是一个“发电厂〞。
能源的创造和消费已经成为当今世界不可或缺的根本要素。通过能源的生产和利用,人们的衣食住行等需求得到了满足,并极大的提高了现代社会的生活质量,推动了现代技术的快速开展。当前,一方面我们的家居、办公和生产等所需要的大局部能源均来自化石燃料,而一方面,化石燃料的使用在造就人类文明飞速开展的同时,也造成了很大的环境问题,这些环境问题反过来成为了制约人类社会进步开展的羁绊。此外,人类对化石燃料的无序开采和低效使用与化石燃料储量的有限产生了矛盾,如果不能及时的寻找新的可替代能源,人类在用尽化石燃料后,将面临无能源可用的危机。幸运的是,近年来出现的一些新的能源生产技术为解决上述问题提供了可能,这些技术包括核能技术、氢能源及燃料电池技术、太阳能技术、风能和生物能技术等。其中,以燃料电池技术为代表的氢能源受到国内外专家学者和政府机构越来越多的青睐,燃料电池技术被认为是21 世纪首选的清洁高效的发电技术,美国把燃料电池技术列为仅次于基因组方案和超级材料后的第三项重要技术加以支持。燃料电池的原理最早是由William Grove 在1839年提出,20世纪50年代培根(Bacon)做了一些先驱性的工作;二十世纪六十年代由通用电气公司开发的质子交换膜燃料电池被美国宇航局用于“双子星座〞航天器的动力源。随着上世纪80 年代中期电池材料和制备技术的突破性
燃料电池的工作原理
燃料电池的工作原理
燃料电池是一种利用化学能转化为电能的装置,通过将燃料和氧气进行反应生成电能。它的工作原理是基于电化学反应,下面将详细介绍燃料电池的工作原理。
1. 电解质的选择
燃料电池中的关键部分是电解质,它能够提供离子导电功能。电解质的选择决定了燃料电池的类型,常见的电解质主要包括聚合物电解质和固体氧化物电解质。聚合物电解质燃料电池(PEMFC)使用聚合物薄膜作为电解质,固体氧化物燃料电池(SOFC)使用氧化物陶瓷材料作为电解质。
2. 燃料的供给
燃料电池的燃料可以是氢气、甲醇、乙醇等可再生的氢源。其中,氢气是最常用的燃料。燃料进入燃料电池后,与电解质中的催化剂发生反应。例如,在氢燃料电池中,氢气会在阳极催化剂上发生氧化反应,释放出氢离子和电子。
3. 氧气的供给
燃料电池还需要氧气作为参与反应的另一种物质。氧气一般通过空气供应,供给给燃料电池的阴极。与燃料在阳极上发生的氧化反应相对应的是阴极上的还原反应。在还原反应中,氧气与氢离子和电子结合产生水。
4. 电化学反应
在燃料电池中,燃料在阳极上发生氧化反应,同时产生氢离子和电子。电解质中的离子导电功能使得氢离子能够自由通过电解质传递到
阴极。而电子则被强制通过外部电路流动,形成电流。在阴极上,氧
气与氢离子和电子结合,发生还原反应,生成水。
5. 电能输出
在燃料电池的工作过程中,通过氧化和还原反应产生的电子形成电流,通过外部电路传输到负载上,实现电能输出。这时,电子完成了
从阳极到阴极的传输,而离子通过电解质完成了从阳极到阴极的传输。离子和电子的相互传输和反应最终导致了电能的输出。
燃料电池电动汽车的主要结构和组成部分介绍
燃料电池电动汽车的主要结构和组成部分介绍燃料电池电动汽车是利用燃料电池作为能源,将化学能转化为电能驱动电动汽车运行的一种新型汽车。它与传统的内燃机汽车相比,具有零排放、高效能、低噪音等优点,是未来新能源汽车发展的重要方向之一、下面将介绍燃料电池电动汽车的主要结构和组成部分。
1.燃料电池堆:燃料电池堆是燃料电池电动汽车的核心部分,它由多个燃料电池单元组成。每个燃料电池单元由两个电极、电解质膜和电催化剂组成。当燃料(常用的是氢气)和氧气通过不同的电极与电解质膜反应时,产生电子和离子。电子通过外部电路传导出去驱动电动汽车运行,而离子则通过电解质膜传递,保持正负电荷平衡。
2.燃料供应系统:燃料供应系统主要包括氢气储存器、氢气传输管道和氢气喷射器。燃料电池电动汽车使用氢气作为燃料,因此需要一个氢气储存器来存放氢气,并通过传输管道将氢气输送到燃料电池堆。氢气喷射器将氢气注入燃料电池堆,参与反应转化为电能。
3.氧气供应系统:氧气供应系统主要包括氧气传输管道和氧气供应单元。氧气传输管道将外界的空气输送到燃料电池堆,供给氧气参与反应。氧气供应单元通常为污染物捕获装置,可以有效地过滤和吸收空气中的杂质和污染物,保证氧气的纯度和质量。
4.控制系统:燃料电池电动汽车的控制系统包括电池管理系统(BMS)、氢气控制系统和水管理系统。电池管理系统主要用于监测和管理燃料电池堆的工作状况,保证系统的安全稳定运行。氢气控制系统用于控制氢气的供给和喷射,确保燃料电池堆的正常运行。水管理系统主要用于控制燃料电池堆内的水循环,保持电解质膜的湿润状态。
燃料电池概念
燃料电池概念
引言:
- 燃料电池(FuelCell)被认为是一种清洁、高效、可持续的能源技术,被广泛应用于交通运输、能源供应和环境保护领域。本文将介绍燃料
电池的概念、原理、类型、应用以及未来发展方向。
一、燃料电池的概念:
- 燃料电池是一种将化学能直接转化为电能的能量转换装置,通过氧化
剂与还原剂间电化学反应来产生电力。其核心原理是利用氢气或其他
可燃气体与氧气相结合,通过电化学反应产生电能,并以水和热能为
副产品。
二、燃料电池的工作原理:
- 燃料电池的工作原理基于两个半反应:氧化半反应和还原半反应。氧
化半反应发生在氧化剂(通常是氧气)的一侧,其中氧分子分解成氧
离子。还原半反应发生在还原剂(如氢气)的一侧,其中氢离子经过
反应产生电子和水。通过将两个半反应结合在一起,燃料电池能够将
化学能转化为电能。
三、燃料电池的类型:
- 燃料电池根据不同的电解质和工作温度,可以分为不同类型:质子交
换膜燃料电池(PEMFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)、碱性燃料电池(AFC)等。每种类型的燃料电池都有其特定的优点和适用场景,例如PEMFC适合用于交通工具和移动设备,而SOFC适合用于电力供
应和大型工业设备。
四、燃料电池的应用:
- 燃料电池被广泛应用于各个领域,包括交通运输、能源供应和环境保
护等。在交通运输领域,燃料电池驱动的电动汽车可以提供零排放、
长续航里程和快速加注等优势。在能源供应领域,燃料电池可以作为
替代传统燃料的可再生能源,提供可靠的电力供应。在环境保护领域,燃料电池可以减少有害气体排放,降低温室气体的影响。
试简述五大类燃料电池的工作原理和各自的特点
试简述五大类燃料电池的工作原理和各自的特点
燃料电池是一种特殊的电池,使用燃料(如氢气、甲醇等)和氧气作为氧化还
原反应的原料,在其中引入电解质和催化剂,从而实现燃料的电氧化和产电的过程。燃料电池的常见分类方法有五种,包括质子交换膜燃料电池、直接甲醇燃料电池、固体氧化物燃料电池、碱性燃料电池和离子聚合物燃料电池。这篇文章将会逐一介绍这些燃料电池的工作原理及各自的特点。
质子交换膜燃料电池
质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cells,PEMFC)是一
种常用的燃料电池,使用氢气和氧气进行反应。这种燃料电池通过质子交换膜将氢离子从阴极传导到阳极,同时通过氧气在阳极上进行氧化反应,产生电流。PEMFC 的工作温度通常在60-90℃之间,反应产生的水和热量可以直接排放。
PEMFC 的优点在于响应时间快,电子传导性好,能量密度高,且输出电压稳定。缺点则在于对纯氢气的依赖性,电极上容易沉积垢物,且质子交换膜对化学稳定性和耐久性的要求较高。
直接甲醇燃料电池
直接甲醇燃料电池(Direct Methanol Fuel Cells,DMFC)是另一种常见的燃料
电池,使用甲醇和氧气进行反应。DMFC 通过将甲醇和水在阴极上进行氧化反应,
产生质子和二氧化碳;而在阳极上则通过氧气还原,产生水和电流。DMFC 的工作
温度通常在60-90℃之间,较为适合小型可携式设备。
DMFC 的优点在于能够直接使用液态甲醇(或甲醇水溶液)作为燃料,更易于
储存和使用。其缺点则在于甲醇受贵金属催化剂上电子传导速率较慢,且反应过程中产生的CO2 会限制其效率和稳定性。
氢能源及燃料电池简介介绍
氢能源与燃料电池的发展历程与重要性
发展历程
自20世纪初发现氢能源以来,氢能源及燃料电池的发展经历了多个阶段。近年来,随着环保意 识的增强和可再生能源的普及,氢能源及燃料电池技术在全球范围内得到了广泛关注和应用。
重要性
氢能源及燃料电池的重要性在于其清洁、可再生的特性,以及在能源安全、环境保护和应对气 候变化等方面的潜在贡献。此外,氢能源及燃料电池技术的发展对于推动能源结构的转型和实 现可持续发展也具有重要意义。
VS
详细描述
AFC采用碱性溶液作为电解质,可以将氢 气和氧气通过膜反应转化为电能和水。这 种燃料电池具有较高的能量密度和较低的 成本,同时其结构简单、易于维护,因此 广泛应用于航天、军事等领域。然而, AFC的废物处理较为困难,需要进一步改 进。
磷酸燃料电池(PAFC)
总结词
磷酸燃料电池是一种中等功率的燃料电池,具有高效率、中等能量密度等特点。
SOFC采用固体氧化物作为电解质,可以将氢气和氧气通过 膜反应转化为电能和二氧化碳。这种燃料电池具有较高的 效率和高能量密度,同时其运行温度较高,适用于高温应 用场景。SOFC广泛应用于电力储备、分布式发电等领域。
氢能源及燃料电池的优势与
04
挑战
氢能源及燃料电池的优势
高能量密度
氢能源及燃料电池具 有高能量密度,能够 提供更多的能量储存
02 基础设施不足
燃料电池的技术现状和发展趋势
燃料电池的技术现状和发展趋势
燃料电池是一种无污染、高效能的能源转化设备,近年来得到了
越来越多的关注和应用。本文将围绕燃料电池的技术现状和发展趋势,从以下三个方面进行介绍。
一、燃料电池的技术现状
燃料电池是一种能够将氢气、甲烷等可再生能源转化为电能的装置,也可以利用能源颗粒,如氢离子、氧化物离子等,在经过化学反
应后产生电能。据统计,目前已经研制出多种类型的燃料电池,并投
入了大量的应用。
一般来说,燃料电池主要包括固体氧化物燃料电池、质子交换膜
燃料电池、碱性燃料电池、直接甲醇燃料电池等几种类型。其中,PEM
燃料电池是目前最为成熟、商业化应用最广泛的燃料电池类型之一,
其具有体积小、质量轻、响应速度快等优点。
二、燃料电池的发展趋势
(1)实现规模化、商业化应用
尽管燃料电池技术的研究已经有了很长时间,但是其应用仍然非
常有限。未来,燃料电池仍然需要从实验室走向市场,实现规模化生产,并被广泛运用于汽车、铁路、海运等领域。
(2)持续提高燃料利用率和能量效率
燃料电池的燃料利用率和能量效率是影响其应用价值的重要参数。因此,未来燃料电池厂商应当继续强调技术改进,不断提高电池的燃
料利用率和能量效率。
(3)开发新型催化剂
在燃料电池的运行过程中,催化剂是十分重要的因素。因此,开
发新型催化剂,提升燃料适用能力和普适性,已成为燃料电池技术领
域的新任务。
三、燃料电池的优缺点
(1)优点
① 燃料电池可以利用多种化学能源进行转化,具有能源利用效率高、效能高的特点。其转换效率可达50%以上。
② 燃料电池不需要燃烧,因此排放无害物质,而且还可以减少有害气体的排放。
燃料电池的应用领域
燃料电池的应用领域
1. 介绍
燃料电池是一种能够将化学能直接转化为电能的装置,它的主要原理是通过氧化还原反应将燃料和氧气直接转化为水和电能。由于燃料电池具有高能量转化效率、低碳排放等优点,被广泛应用于各个领域。
2. 交通运输领域
2.1 汽车
燃料电池汽车是一种使用燃料电池作为动力源的汽车,它可以利用氢气作为燃料产生电能驱动车辆。与传统内燃机汽车相比,燃料电池汽车具有零排放、噪音低、能量高效等优点,可以显著减少对环境的污染。目前,燃料电池汽车已经在一些发达国家开始商业化运营,并且得到了消费者的认可。
2.2 公共交通工具
除了个人乘用车辆,燃料电池还可以应用于公共交通工具,如公交车、出租车、轮渡等。这些交通工具通常需要长时间连续运行,对动力系统的可靠性和稳定性要求较高。燃料电池在这些公共交通工具中具有节能、环保的优势,可以减少对化石燃料的依赖,降低车辆运营成本。
2.3 船舶
燃料电池还可以应用于船舶领域。传统的船舶动力系统主要依赖于柴油引擎,因此产生大量的尾气排放。而燃料电池可以提供清洁的能源,有效减少船舶对环境的污染。一些国家已经开始在城市内河流、湖泊等水域中推广使用燃料电池船舶。
3. 电力领域
3.1 分布式能源系统
燃料电池可以与其他可再生能源(如太阳能、风能等)相结合,构建分布式能源系统。在这种系统中,燃料电池可以作为能量的储存装置,将多余的能量转化为氢气,并在需要时利用燃料电池产生电能。这样可以解决可再生能源波动性大、不稳定的问题,提高能源利用效率。
3.2 独立供电系统
燃料电池还可以应用于需要独立供电的场景,如远离城市的偏远地区、野外工地、紧急救援等。燃料电池具有快速启动、长时间连续供电的能力,可以为这些地区或场景提供稳定可靠的电力供应。
燃料电池
正极:1/2O2+H2O+2e-→2OH-
电池反应:H2+1/2O2==H2O
燃料电池另外,只有燃料电池本体还不能工作,必须有一套相应的辅助系统,包括反应剂供给系统、排热系 统、排水系统、电性能控制系统及安全装置等。
目前正在研制开发的新一代固体氧化物燃料电池,其特征是基于薄膜化制造技术,是典型的高温陶瓷膜电化学 反应器,我们可称其为陶瓷膜燃料电池。这种提法不同于燃料电池的一般命名法,更着眼于电解质材料和构型的设 计。我国已成功研制了中温(500~ 750℃)陶瓷膜燃料电池的关键材料,发展了多种薄膜化技术(流延法、丝网印 刷法、悬浮粒子法、静电喷雾法、化学气相淀积法等),获得了厚度5~ 20μm的薄层固体电解质,比传统工艺制造 的150~ 200μm电解质薄板减薄了一个数量级,单电池的输出功率达到了500~ 600mW /cm 2。燃料气除氢气以 外,还可以直接以天然气、生物质气为原料。最近,西门子-西屋公司已经完成了以天然气为燃料,内重整的100kW 级管状电池的现场试验发电系统,试运行了4 000h,电池输出功率达127kW,电效率为53% 。
燃料电池是一种电化学的发电装置,等温的按电化学方式,直接将化学能转化为电能而不必经过热机过程,不 受卡诺循环限制,因而能量转化效率高,且无污染,正在成为理想的能源利用方式。同时,随着燃料电池技术不断成 熟,以及西气东输工程提供了充足天然气源,燃料电池的商业化应用存在着广阔的发展前景。
新能源材料 第三章 燃料电池
可应 用领 域
航天,特 特殊需求, 区域供电,区域供电 殊地面, 区域供电 联合发电 广泛
缺 点 需以纯氧 对CO敏 工作温度 工作温度过 做氧化剂; 感; 较高 高 成本高 启动慢; 成本高
AFC
低温燃料电池
PEMFC
PAFC
燃 料 电 池
工作 温度
MCFC
高温燃料电池
SOFC
几种特殊类型的燃料电池
3.1.5 燃料电池的类型和各类型的特点
燃料电池的种类很多,分类方法
也有多种。表5-1的分类方式概括了所
有类型的燃料电池。
表5-1 燃料电池分类
直接型 低温(200℃) 中温 (200~ 750℃) 间接型 高温 重整型 生化 (750℃) 型
再生型 (产物再生 为反应物) 热再生 充电再生 光化学再生 放射化学再 生
氢-氧 有机物-氧 氮化物-氧 金属-氧 氢-卤素 金属-卤素
氢-氧 氢-氧 天然气 葡萄 糖 有机物- CO-氧 石油 氧 碳水 化 甲醇 合物 氨-氧 乙醇 尿素 煤 氨
碱性燃料电池(AFC)
燃 料 电 池
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)
燃料电池的基本反应
3.1.3 燃料电池(Fuel Cell)与电池(Battery)的区别
(1)相同点:将化学能转变为电能的装置,有许多
燃料电池电动汽车的工作原理和组成
燃料电池电动汽车的工作原理和组成
燃料电池电动汽车作为新能源汽车的一种,其工作原理和组成是怎样的呢?下面将从工作原理和组成两个方面进行详细介绍。
一、工作原理
1. 氢气和氧气的电化学反应
燃料电池电动汽车的核心是燃料电池,其工作原理是利用氢气和氧气在电化学反应过程中产生电能。在燃料电池内部,氢气从阴极一侧进入,氧气从阳极一侧进入,两者在电解质膜上发生化学反应,产生水和电能,因此也被称为氢气电池。
2. 电能转化为动力
燃料电池产生的电能经过电控系统,转化为汽车所需的动力,驱动电动汽车行驶。
二、组成结构
1. 燃料电池系统
燃料电池系统包括燃料电池堆、氢气储存罐、氧气供应系统等组成部分。其中,燃料电池堆是最核心的部件,由多个单个燃料电池组成,通过将氢气和氧气输入到电解质膜上,产生电能。
2. 电控系统
电控系统是燃料电池电动汽车的大脑,负责控制燃料电池系统的运行和管理。它通过各种传感器实时监测燃料电池的工作状态,并根据车速、踏板行程等信息来控制燃料电池系统的输出。
3. 电池
除了燃料电池之外,燃料电池电动汽车还配备了锂电池等储能设备。这些电池主要用于存储制动能量回收等过程中产生的电能,以及在起步、加速等高功率场景下提供额外动力。
4. 电动驱动系统
电动驱动系统包括电动机、变速箱和传动装置等部件,负责将燃料电池产生的电能转化为汽车的动力,驱动车辆前进。
5. 氢气储存和氢气供应系统
燃料电池电动汽车的氢气储存和供应系统是汽车能否正常工作的关键。氢气储存罐主要用于储存氢气,而氢气供应系统则负责将储存罐中的
氢气输送到燃料电池堆中进行反应。
燃料电池技术发展趋势
燃料电池技术发展趋势
燃料电池技术是一种通过氢气和氧气反应产生电能的先进能源转换技术。它以高能效、零排放、环保可持续为特点,被广泛应用于交通运输、能源供应以及便携式电源等领域。随着科技的进步和环保意识的增强,燃料电池技术正面临着一系列发展趋势,本文将为您详细介绍。
一、材料创新
燃料电池技术的核心是电极催化剂。目前主要采用的是昂贵稀缺的贵金属材料,如铂、钌等。但是,高昂的材料成本和资源短缺成为燃料电池技术发展的瓶颈之一。因此,材料创新是未来燃料电池技术发展的关键。研究人员正在积极寻找替代材料,如非贵金属催化剂、二氧化钼等,在提高电极活性的同时,降低成本,推动燃料电池技术更广泛的应用。
二、氢气供应
燃料电池技术最关键的问题之一是氢气供应。目前主要的氢气供应方式是氢气储罐和氢气管道,但是这种方式存在成本高、安全性问题以及氢气的长途运输难题。因此,研究人员正在探索新的氢气供应方式,如氢气发生器、氢气储存合金等。这些新技术将使氢气供应更加便捷和安全,推动燃料电池技术的普及。
三、系统集成
燃料电池技术作为一种能源转换技术,其成功应用不仅仅依靠核心
燃料电池本身,还需要与其他设备、系统进行集成。系统集成是燃料
电池技术发展的关键环节,它涉及到电池系统、氢气供应系统、储能
系统等多个方面。未来,燃料电池技术的发展将更加注重系统集成的
完善,以提高整体效率和可靠性。
四、多电源融合
随着智能电网和可再生能源的快速发展,燃料电池技术将逐渐与其
他能源转换技术相融合。多电源融合是未来能源系统的趋势之一,燃
料电池技术作为零排放的清洁能源转换技术,可以与太阳能、风能等
燃料电池讲解
甲 醇 燃 料 電 池 , 燃 料 電 池 的 层 狀 結 构
燃料电池其原理是一种电化学装置, 燃料电池其原理是一种电化学装置,其组成与一般电池相 电化学装置 其单体电池是由正负两个电极(负极即燃料电极和正 同。其单体电池是由正负两个电极 负极即燃料电极和正 极即氧化剂电极)以及电解质组成 以及电解质组成。 极即氧化剂电极 以及电解质组成。不同的是一般电池的 活性物质贮存在电池内部,因此,限制了电池容量。 活性物质贮存在电池内部,因此,限制了电池容量。而燃 料电池的正、负极本身不包含活性物质, 料电池的正、负极本身不包含活性物质,只是个催化转换 元件。 元件。因此燃料电池是名符其实的把化学能转化为电能的 能量转换机器。电池工作时,燃料和氧化剂由外部供给, 能量转换机器。电池工作时,燃料和氧化剂由外部供给, 进行反应。原则上只要反应物不断输入, 进行反应。原则上只要反应物不断输入,反应产物不断排 燃料电池就能连续地发电。这里以氢-氧燃料电池为 除,燃料电池就能连续地发电。这里以氢 氧燃料电池为 例来说明燃料电池 氢-氧燃料电池反应原理 这个反映是电觧水的逆过程。 氧燃料电池反应原理 这个反映是电觧水的逆过程。 电极应为: 负极: 电极应为: 负极:H2 +2OH-→2H2O +2e正极: 正极:1/2O2 +H2O+ 2e-→2OH电池反应: 电池反应:H2 +1/2O2==H2O
燃料电池技术的原理及应用
燃料电池技术的原理及应用
随着人们对环境保护意识的逐渐加强和对可再生能源需求的不
断增加,燃料电池技术逐渐成为人们关注的热门话题。燃料电池
是一种将化学能直接转化为电能的设备,是一种重要的可再生能源,具有无污染、高效率、低噪音和可持续性等优点。本文将从
燃料电池技术的原理、种类、应用及前景等方面进行介绍。
一、燃料电池技术的原理
燃料电池技术基于化学反应,通过将燃料与氧气反应产生电流
来产生电能。燃料电池由正负电极和电解质组成,燃料在电极上
发生氧化还原反应,并通过电解质隔离传递电子到另一个电极上,产生电流。燃料电池的主要原理是将氢气或其他燃料与带有催化
剂的氧气在正电极上反应,形成水和电子。这些电子在电路中流动,从而提供电力。
二、燃料电池技术的种类
1.质子交换膜燃料电池
质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种用于移动设备、家庭电力和汽车的最常见的燃料电池。PEMFC利用质子导体(质子交换膜)在正极和负极之间传递质子,并使用催化剂催化氢在正极和氧气在负极反应,产生电能。
2.固体氧化物燃料电池
固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种新型的高温燃料电池,其工作温度高达800-1000℃。该燃料电池采用催化剂作为电极,利用固体氧化物作为电解质,化学反应产生电流。SOFC的优点在于能够发电并同时用于产生热能,可以实现高效利用燃料。
3.碳酸盐燃料电池
碳酸盐燃料电池(MCFC)采用碳酸盐液体作为电解质,能够直接利用天然气、生物气和煤炭等不纯度高的燃料。MCFC可以在较低的温度下产生高效电能,并且可以回收二氧化碳,减少大气中的温室气体。
燃料电池技术的研究现状和应用前景
燃料电池技术的研究现状和应用前景随着能源危机日益严重,环境污染问题越来越突出,对新能源
技术的需求也越来越迫切。燃料电池技术作为一种新兴的清洁能
源技术,受到越来越多的关注和研究。本文将着重介绍燃料电池
技术的研究现状以及其在未来的应用前景。
燃料电池技术的基本原理
燃料电池是一种将化学能直接转化为电能的装置。根据电解质
的不同,燃料电池可分为酸性燃料电池、碱性燃料电池、固体氧
化物燃料电池等几种类型。其中,酸性燃料电池因其反应速度快、温度范围广、催化剂价格低等优点,已成为目前研究的重点。
燃料电池的基本原理是将燃料与氧气通过催化剂反应生成水和
电能。其反应式为:
燃料 + 氧气→ 水 + 电能
燃料电池技术的研究现状
目前,燃料电池技术的研究主要包括以下几个方面:
1. 催化剂的研究:催化剂是燃料电池对电化学反应的实质性帮助。当前的研究主要是在提高催化剂的活性的同时,降低催化剂的成本。
2. 提高电极的传质效率:电极的传质效率对燃料电池性能有着非常大的影响。目前的研究重点是提高电极的传质效率,使电化学反应的速度更快。
3. 降低燃料电池的成本:燃料电池的成本一直是制约其商业化应用的重要因素。目前的研究主要集中在提高制造工艺、减少材料消耗等方面,从而降低生产成本。
燃料电池技术的应用前景
燃料电池技术作为一种新兴的清洁能源技术,具有广阔的应用前景。以下是其在几个方面的具体应用:
1. 汽车领域:燃料电池汽车是目前应用最为广泛的领域。因其
可实现零排放且行驶里程长等优点,已成为汽车工业的重要发展
方向。
2. 家庭发电领域:燃料电池还可以用于家庭发电。在未来,燃
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In effect, H2 and O2 are reacting to produce electricity rather than heat: Overall cell reaction: H2 + ½O2 → H2O E0 = 1.23 V
Anode
H2 → 2H+ + 2e- E0 = 0 V vs NHE Cathode
H+
2H2O
2H2 + O2 E0 = 1.23V
The Gas Battery
To test his reasoning, Sir William Robert Grove built a device that would combine hydrogen and oxygen to produce electricity, the world's first gas battery, later renamed the fuel cell. His invention was a success, and Grove's work advanced the understanding of the iБайду номын сангаасea of conservation of energy and reversibility.
A Leclanche battery
The history of fuel cells (1)
The world speed record in 1899, of 104 km h-1, was held by an electric vehicle, the “Jamais Contente”. In 1900 in the USA, there were 1681 steam-driven vehicles, 1575 electric vehicles and only 936 driven by petrol engines. All electric vehicles were powered by lead-acid batteries. A fuel tank is lighter than a lead-acid battery and can be „recharged‟ more rapidly. A tank of fuel gives a much longer range than a fully charged battery- current target of 300 km still remains elusive (battery should not exceed ca. 1/3 of total weight of vehicle)- Nissan Leaf range ca. 160 km. The advent of the self-starter (powered by a lead-acid battery!) finally clinched the relegation of electric vehicles to milk floats and fork-lift trucks.
10.
10. 11.
12.
1.
A brief history of fuel cells
Electrolysis
Cathode: 2 H+(aq) + 2e− → H2(g)
Anode: 2 H2O(l) → O2(g) + 4 H+(aq) + 4e−
Overall reaction: 2 H2O(l) → 2 H2(g) + O2(g); E0 = 1.23 V
Sir William Grove (2)
e-
Grove realized that if electrolysis, using electricity, could split water into hydrogen and oxygen then the opposite would also be true. Combining hydrogen and oxygen, with the correct method, would produce electricity.
½O2 + 2e- + 2H+ → H2O
E0 = 1.23 V vs NHE
The simplest fuel cell: H2/O2
Work (energy)
O2 H2
fuel cell heat
H2O
What is a fuel cell?
A Fuel Cell is an electrochemical device converting chemical energy to electricity “chemical combustion”.
Francis Thomas Bacon (1904-1992) started his FC research in Newcastle whilst working for Parsons Engineering (1925 – 1940). After the war he moved to Cambridge. First viable power unit in 1950‟s: a 5 kW fuel cell utilising pure hydrogen and oxygen. The electrolyte was circulating 30 wt% aqueous potassium hydroxide, operated at 200°C & 5 MPa to prevent boiling of the electrolyte.
The Apollo fuel cell power plant.
31 cells, 100 mA cm-2, in total 1.12kW at 28V.
110 kg
The history of fuel cells (5)
Bought by NASA for the Gemini space programme
Fuel cells
Professor Paul Christensen
School of Chemical Engineering and Advanced Materials
Paul.christensen@ncl.ac.uk Tel. 5472, room 1.03 Bedson Building
Sir William Grove (1)
The fuel cell can trace its roots back to 1839. A Welsh born, Oxford educated barrister, Sir William Robert Grove, who practiced patent law and also studied chemistry or "natural science" as it was known at the time. Sir William Grove 1811-1896
The fuel cell concept (1)
Products e-
Oxidant Solid, liquid or polymer electrolyte
Cathode
Anode
H+ or etc
TWO circuits: electrical and ionic
Fuel
Products
Subjects covered:
The history of fuel cells (2)
In the late 19th and early 20th centuries, coal was king But all attempts to make coal fuel cells failed, and fuel cells fell out of favour until the 1960‟s, when they underwent a revival due to interest from an out of this world source!
The history of fuel cells (3)
Monday 13 April 1970, 9.07 pm 200,000 miles out in space O2 cryotank 2 explodes on Apollo 13
The history of fuel cells (4)
The history of fuel cells (6)
1960‟s: On the basis of the Bacon Fuel Cell System, AllisChalmers built the first large vehicle equipped with a fuel. It was a farm tractor powered by a 15 kW stack consisting of over 1000 cells. With this 15 kW of power, the tractor generated enough power to pull a weight of about 1.5 tons.
7 slots Assessment: assignment 5% Exam: one long + one short question Blackboard
Not on Recap
Recommended reading “Fuel cell systems explained”, J. Larminie, Wiley 2003. “Handbook of fuel cells : fundamentals, technology and applications”, W. Vielstich; H. A. Gasteiger; A. Lamm, Wiley. Essential reading: Introductory documents posted on BB: Thermodynamics, Kinetics and Electrochemistry. Do the „self-tests‟.
Grove's drawing of one of his experimental "gas batteries" from an 1843 letter (NOTE: 4 or 5 cells needed to electrolyse water in 1 cell!)
The Gas Battery reaction