燃料电池技术 第一章 燃料电池简介
燃料电池介绍
燃料电池燃料电池(FuelCell)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WilliamGrove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进展，使燃料电池的性能大幅度提高，本钱大大降低，民用性和实用化前景较为看好。
而质子交换膜燃料电池发电过程中只产生水作为排放物，其越来越受到电动汽车行业的重视。
美国通用公司、戴姆勒克莱斯勒公司、福特公司和本田公司，德国尼奥普兰汽车公司，日本的丰田公司及瑞典的斯堪尼亚汽车公司等相继研发出了实用的以PEMFC为电源驱动的公共汽车和混合燃料电池车。
燃料电池技术及应用
燃料电池技术及应用
一、什么是燃料电池
燃料电池（Fuel Cells）是一种新型的电池，而且它是基于化学反应
的可再生能源的新型电源，它可以将氢气、燃料或其他可燃物通过电极与
氧气发生化学反应，产生电能的化学电源技术。
二、燃料电池的工作原理
燃料电池是利用多种化学反应，将氢气与氧气之间的能量进行转换，
从而产生电能的一种新型能源技术。
其实，燃料电池的产生电能的本质是
利用氢和氧原子交流原子的方式，即燃料电池的正极（Anode）和负极（Cathode）之间的电解反应。
燃料电池的正极上，氢气会经过电解会解出电子和氢离子，离子通过
离子交换膜（IEM）流入负极，而电子经电导体传输到负极。
在负极上，
电子与氧气发生反应，会解出水和氧离子，这样，氢离子和氧离子再一次
通过离子交换膜组成水分子，从而完成一次电解反应，燃料电池中的电子
流就被产生出来了。
三、燃料电池的类型
1.燃料电池的类型
根据不同的燃料类型，燃料电池可以分为不同的类型：
（1）氢燃料电池(HFC)：氢燃料电池是以氢气为燃料，以氧气为氧化剂，将氢气和氧气发生化学反应而产生电能的一种新型能源技术。
（2）燃料池（DMFCs）：燃料池是一种利用有机物质（如乙醇，乙醚，乙醛等。
燃料电池专业知识
储氢系统
氢瓶：金属内胆，碳纤维缠绕，3型气瓶。 国内压力：国标允许35MPa。 国际：塑料内胆，碳纤维缠绕，4型气瓶。 国际压力：一般都在70MPa。
氢瓶 35/70MPa
减压器
0.5-2MPa左 右
氢气传输管路 燃料电池发 动机 减压器 进入电堆内部 （kPa级）
第四章 巴拉德9ssl电堆
Fuel cell stack orientation
Gas and fluid compatibility
Operation Conditions
Fuel cell stack performance
Fuel cell stack operating limits
气体扩散层GDL (gas diffusion layer)
作用：传质，导电，传热，支持催化层，导水
要求：高孔隙率，接触电阻小，内阻小，导热好，稳定性高不降解，强度高 材料：石墨化碳纸或碳布
流场板FP （Flow Plate）
对于水冷流场，又称为双极板Bipolar-plate
隔离型
升压型 降压型
单向 双向
电机
电机：无刷直流电机、交流异步电机、永磁同步电机、开关磁阻电机。
目前电动汽车上逐渐以永磁同步直流电机为主： 体积小，功率密度大 效率高 功率因素高 启动力矩大 温升低
直流电
电机控制器
电机
机械能
动力电池
从正极材料来看有：锰酸锂、三元材料或磷酸铁锂等。 作为锂离子电池负极材料-钛酸锂（区别于石墨），可与锰酸锂、三元材料或 磷酸铁锂等正极材料组成电池。
一、燃料电池专业知识
第一章 燃料电池原理和构成
什么是燃料电池
燃料电池技术
燃料电池技术燃料电池技术是一种利用化学反应转化燃料能为电能的先进能源技术。
它以可再生能源和常规能源为燃料，通过在氧气电极和氢电极上的电化学反应来产生电能和热能。
燃料电池技术具有高效节能、无污染、资源可持续利用等特点，被广泛应用于交通运输、家庭能源和工业领域。
一、燃料电池的原理燃料电池是利用氧化还原反应来实现能量转换的设备。
它由阳极、阴极、电解质和电极反应催化剂等组成。
在燃料电池工作过程中，燃料（常见的有氢气和甲醇）在阳极侧被氧化成为电子和离子，电子经过外部电路传递形成电流，离子穿过电解质传递到阴极侧，与氧气发生还原反应生成水和热能。
整个过程中产生的电能可被外部电路利用。
二、燃料电池的分类根据不同的电解质种类和工作温度，燃料电池可以分为若干种类。
常见的几种燃料电池包括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。
它们在不同应用场景下有各自的特点和优势，适用于不同的需求。
三、燃料电池技术的应用1. 交通运输领域：燃料电池被广泛用于汽车和公共交通工具的动力系统。
与传统的内燃机相比，燃料电池具有零排放、高效能等优势，能够有效减少空气污染和温室气体排放，并提升车辆的能效和驾驶体验。
2. 家庭能源：燃料电池可用于家庭能源系统，如供暖和电力供应。
通过利用天然气等燃料产生电能和热能，可以满足家庭的供暖需求，并为家庭提供稳定的电力供应，减少对传统能源的依赖。
3. 工业领域：燃料电池可用于工业过程中的电力供应和废气处理等方面。
利用废气中的氢气等燃料产生电能，不仅能满足工业生产的能源需求，还能有效减少废气的排放和处理成本。
四、燃料电池技术的挑战与展望虽然燃料电池技术在环保和节能方面具有巨大潜力，但也面临着一些挑战。
首先，燃料电池的成本较高，需要进一步降低生产成本才能推广应用。
其次，燃料电池的稳定性和寿命问题仍待解决，需要改进催化剂和材料的稳定性以延长燃料电池的使用寿命。
此外，燃料电池的燃料储存和运输等问题也需要解决。
燃料电池简介
谢谢
由图可以看出，如 果我们想从电池中 获得更多电流，就 必须以损失电压为 代价
影响燃料电池性能的因素
活化过电势对燃料电池性能的影响
如何改善动力学性能
3.质子交换膜燃料电池
质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell，英文简称PEMFC)是一种燃料电池，在原理 上相当于水电解的“逆”装置。其单电池由阳极、 阴极和质子交换膜组成。其电解质是由一种质子导 体聚合电解膜构成。
发电效率高 环境污染小 比能量高 噪音低 燃料范围广 负载调节灵活，可靠性高
2.燃料电池反应动力学
定义：对燃料电池反应过程的研究。
目的：解释燃料电池的反应过程如何导致性能损失。
活化能垒
Butler-Volmer方程
阐述电化学反应产生的电流随活化过电势的变化。
Butler-Volmer方程函数曲线
燃料电池
1.燃料电池的概述
燃料电池（full Cell）是一种将持续供给的燃料和氧 化剂中的化学能连续不断地直接转化为电能的电化 学装置。 燃料电池在原理和结构上和普通电池（battery）完 全不同。燃料电池的活性物质是存储在电池之外， 只要不断地供给燃料和氧化物就一直能发电，因而 容量是无限的。而电池的容量是有限的，活性物质 一旦消耗完，电池的寿命就终止。
1.2燃料电池的分类
根据其电解质的不同，燃料电池可分为5大类型： 1. 聚合物电解质膜燃料电池（PEMFC） 2.磷酸盐燃料电池（PAFC） 3.碱性燃料电池（AFC） 4.熔融碳酸盐燃料电池（MCFC） 5.固体氧化物燃料电池（SOFC）
1.2燃料电
4.燃料电池的应用
燃料电池简介
H2 2H++2e
阴极：
1/2O2+2H++2e
H2O
燃料电池的分类
目前，燃料电池按电解质划分已有6个种类得到了发展：
碱性燃料电池（Alkaline Fuel Cell,AFC）
采用氢氧化钾溶液作为电解液
磷酸盐型燃料电池（Phosphoric Acid Fuel Cell,PAFC）
总结
燃料电池的出现与发展，将会给便携式电子设备带来一场 深刻的革命，并且还会波及到汽车业，住宅，以及社会各 方面的集中供电系统。在21世纪中它将会把人类由集中供 电带进一种分散供电的新时代。
燃料电池供电，没有二氧化碳的排放，可减轻温室效应使 全球气候变暖问题，解决了火力发电使全球环境污染的问 题，是一个纯正的绿色清洁能源。所以，我们要加速实现 燃料电池的商品化进程，中国人应该在这场能源革命中有 所作为，跟上全球技术发展的步伐。
DMFC：直接甲醇燃料电池； MCFC：熔融碳酸盐型燃料电池； PAFC：磷酸盐型燃料电池
资料来源：Fuel Cell Today
燃料电池的发展现状
全球燃料电池生产数量的区域分布
资料来源：Fuel Cell Today
最新科技
------美国空军学院研究无人机用氢燃料电池技术
我国研究开发进展
我国2类碱性石棉膜型氢氧燃料电池系统通过了航天环境模拟试验。 国家已将质子交换膜燃料电池列为重点攻关项目，以大连化学物理所 为牵头单位，在国内全面开展了质子交换膜燃料电池的材料和电池系 统的研究，并组装了多台各种功率（1kw~25kw）的电池组和电池系
采用200℃高温下的磷酸作为其电解质
熔融碳酸盐型燃料电池（Molten Carbonate Fuel Cell,MCFC）
燃料电池技术
燃料电池技术燃料电池技术燃料电池技术是一种基于氢气和氧气反应产生电能的技术。
与传统的燃烧发电不同，燃料电池发电是通过将燃料和氧气反应来产生电流，其过程中产生的唯一废气是水，这使得燃料电池技术成为一种清洁能源。
燃料电池技术也具有高效、低污染、噪音小、可靠性高等特点，成为替代石油的一种新型能源。
燃料电池技术的原理是利用氢气和氧气反应来产生电流。
燃料电池组由阳极、阴极和电解质等组成。
在阳极（负极）、氢气被分解成氢离子和电子，电子流过外部电路产生电流，氢离子穿过电解质膜和氧气反应，在阴极（正极）处生成水。
此外，燃料电池组还需要加热系统、水循环系统、压力调节系统等辅助设备。
不同类型的燃料电池技术所使用的燃料种类、氧化剂种类、电解质材料、电解质膜结构等都不同。
燃料电池技术的种类有多种。
其中最为成熟和应用广泛的是质子交换膜燃料电池（PEMFC）技术。
PEMFC燃料电池的工作温度较低（60-80°C），响应速度快，启动时间短，是目前最先进、最成熟的燃料电池技术之一，主要应用于轻型汽车、卡车、公交车等交通工具上。
锐思特公司是领先的PEMFC燃料电池技术供应商，其燃料电池产品能够广泛应用于交通工具、船舶、电网峰值调节等多个领域。
另外一种重要的燃料电池技术是直接甲醇燃料电池（DMFC）技术。
DMFC使用甲醇作为燃料，不需要氢气供应，既可以使用复杂的氢气加注系统，也可以使用便捷的甲醇加注系统。
与PEMFC相比，DMFC也有其独特的优势，如高能量密度、应用范围广、便捷使用等，被广泛用于微型发电机、便携式设备等场合。
另外，几种新型的燃料电池技术也在研发之中。
例如，固体氧化物燃料电池（SOFC）和碳燃料电池（DFC）等。
SOFC使用固体氧化物为电解质，能够直接处理天然气和生物质等废料，具有高效、低污染、无噪音等优点，适用于军用应急电源、绝缘电网等场合。
DFC则最初是美国能源部研究开发的，使用煤炭等含碳物质作为燃料，产生氧化碳和氢气，可以用来发电或者直接应用于化工原料制备等领域。
燃料电池发电技术
05 结论与展望
结论
高效环保
燃料电池发电技术具有高效率和 环保优势，其能量转换效率高达 50%以上，同时排放的废气主要
为水蒸气，对环境无污染。
灵活多样
燃料电池可以根据不同的应用场 景进行灵活配置，既可以作为分 布式电源使用，也可以组成大型
电站，满足不同规模的需求。
技术成熟
经过多年的研发和试验，燃料电 池发电技术已经逐渐成熟，并开
氢气循环系统
氢气循环系统是燃料电池发电技术中的重要组成部分，其作用是确保氢气在系统 中持续流动，并为燃料电池堆提供足够的氢气。
氢气循环系统通常包括氢气压缩机、冷却器和储气罐等设备。在系统中，氢气经 过压缩机的压缩后，通过冷却器降温，并储存在储气罐中。当需要为燃料电池堆 提供氢气时，储存在储气罐中的氢气会通过管道输送到燃料电池堆。
• 燃料电池发电技术的优势在于其高效、环保、可靠和灵活等。与传统的发电方 式相比，燃料电池发电技术具有更高的能量转换效率和更低的污染物排放。此 外，燃料电池发电技术还可以通过增加或减少燃料电池堆的数量来满足不同功 率的需求。
• 然而，燃料电池发电技术也存在一些局限。首先，氢气的储存和运输需要特殊 的安全措施；其次，氢气的生产成本较高，且目前还没有大规模的氢气生产设 施；最后，燃料电池发电技术的初期投资成本也较高。
固定式燃料电池发电站
环保性
固定式燃料电池发电站具 有环保性，可以实现零排 放，减少对环境的污染。
高效率
固定式燃料电池发电站具 有较高的发电效率，可以 提供稳定的电力输出。
维护成本高
固定式燃料电池发电站的 维护成本较高，需要定期 进行检修和维护。
04 燃料电池发电技 术的发展趋势与 挑战
提高燃料电池性能与降低成本
燃料电池简介
Christian Friedrich Schonbein
William Robert Grove
1.2 燃料电池的分类 燃料电池可以按工作温度、电解质类型、结构特点和所用燃 料的不同分为多种类型。 按温度可将燃料电池分为低温、中温、高温型。 按燃料的来源可分为直接型、间接型和再生型。 不过常用的分类方法还是按电解质类型来分。 到目前为止，已开发的燃料电池按照电解质类型分为五种 。
1.3 燃料电池的原理（以质子交换膜燃料电池为例） 燃料电池的原理（以质子交换膜燃料电池为例） 燃料电池是一种通过电化学反应直接将化学能转变为低压直流 电的装置，即通过燃料和氧化剂发生电化学反应产生直流电和 水。燃料电池装置从本质上说是水电解的一个“逆”装置。在 电解水过程中，外加电源将水电解，产生氢和氧；而在燃料电 池中，则是氢和氧通过电化学反应生成水，并释放出电能。
What is the challenge?
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燃料电池
燃料电池燃料电池是一种把燃料和氧化剂中的化学能直接转化成电能的装置。
是继水力、火力、原子能发电方式之后的“第四种发电方式”。
燃料电池一般由燃料极（或称氢极）、空气极（或称氧极）以及夹在这两极之间的电解质构成。
工作时，由外部供给电池的氢在燃料极放出电子成为氢离子，氢离子通过电解质后移向空气极，而电子则通过外电路亦到达空气极。
在空气极，由外部供给电池的氧，与氢离子及电子进行反应生成水。
电能由外电路输出。
燃料电池与我们所熟悉的干电池虽然都是将化学能转换成电能的装置，但它们的最大不同点在于，封存在干电池中参予化学反应的物质终将耗尽，反应停止，也就不能输出电能了；而对于燃料电池，只要外界不断地供给它燃料气体和氧化剂，化学反应就能不间断地进行，它就能不停地输出电能。
现在研制的燃料电池有四种基本类型，即磷酸型、溶融碳酸盐型、固体电解质型及碱型燃料电池。
它们是根据电池中所用燃料、氧化剂、电解质的不同以及工作温度和构成方式的差别而划分的。
磷酸型燃料电池是用氢的纯度极高的天然气或甲醇作燃料，工作温度为200℃，反应过程用铂作催化剂，发电效率达40％。
溶融碳酸盐型燃料电池，使用的天燃气燃料中既含氢也含一氧化碳，还能用含氢纯度低的煤气作燃料，工作温度在600～700℃，化学反应活跃，不用铂等昂贵的催化剂，发电效率可达50％。
发电过程可利用所排热能，与汽轮机结合。
复合发电，这可使发电效率提高到55％左右；固体电解质型燃料电池中所用的电解质是陶瓷化合物，工作温度可高达800～1000℃，发电效率可达到50％以上；碱性燃料电池是以液氢为燃料，以液氧为氧化剂，成本极高。
美国只在“阿波罗”登月飞船和“挑战者”号航天飞机上使用了这种燃料电池。
这种燃料电池不仅作为飞船和航天飞机的电源系统，而且也为宇航员提供了不可缺少的生活用水及生命保障系统中所需的冷却用水，这一特点是其他电源所望尘莫及的。
燃料电池从1839年弄清了其发电原理到现在，已经有100多年的历史了。
燃料电池
燃料电池的电极是燃料发生氧化反应与氧化剂发生还原反应的电化学反应场所，其性能的好坏关键在于触媒 的性能、电极的材料与电极的制程等。
电极主要可分为两部分，其一为阳极（Anode），另一为阴极（Cathode），厚度一般为200－500mm；其结 构与一般电池之平板电极不同之处，在于燃料电池的电极为多孔结构，所以设计成多孔结构的主要原因是燃料电 池所使用的燃料及氧化剂大多为气体（例如氧气、氢气等），而气体在电解质中的溶解度并不高，为了提高燃料 电池的实际工作电流密度与降低极化作用，故发展出多孔结构的的电极，以增加参与反应的电极表面积，而此也 是燃料电池当初所以能从理论研究阶段步入实用化阶段的重要关键原因之一。
目前,氢燃料电池的发电热效率可达65%～ 85%,重量能量密度500～ 700Wh/kg,体积能量密度1 000～ 1 200Wh/L,发电效率高于固体氧化物燃料电池 。氢燃料电池在30～ 90℃下运行,启动时间很短,0～ 20s内即可达 到满负荷工作,寿命可以达到10年,无震动,无废气排放,大批量生产成本可降到100～ 200美元/kW 。将氢燃料电 池用于电动车,与燃油汽车比较,除成本外,各方面性能均优于现有的汽车。只要进一步降低成本,预计不久就会有 实用的电动车问世。
燃料电池
电池类型
01 基本介绍
03 技术原理
目录
02 原理和发展 04 组成结构
05 优点
07 几种
目录
06 应用和研究 08 现状
基本信息
燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置，又称电化学发电器。它是继水力发电、 热能发电和原子能发电之后的第四种发电技术。由于燃料电池是通过电化学反应把燃料的化学能中的吉布斯自由 能部分转换成电能，不受卡诺循环效应的限制，因此效率高;另外，燃料电池用燃料和氧气作为原料，同时没有机 械传动部件，故排放出的有害气体极少，使用寿命长。由此可见，从节约能源和保护生态环境的角度来看，燃料 电池是最有发展前途的发电技术。
燃料电池技术概念简述
燃料电池技术概念简述本页仅作为文档封面，使用时可以删除This document is for reference only-rar21year.March2.1.1.技术简介2.1.1.1.燃料电池原理燃料电池是一种能量转换装置。
它按电化学原理，即原电池（如日常所用的锌锰干电池）的工作原理，等温地把贮存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能。
对于一个氧化还原反应，如：[O]+ [R]→ P[O]代表氧化剂，[R]代表还原剂，P代表反应产物。
原则上可以把上述反应分为两个半反应，一个为氧化剂[O]的还原反应，一个为还原剂[R]的氧化反应，若e-代表电子，即有：[R]→[R]+ + e-[R]+ +[O] + e-→P[R] +[O]→P以最简单的氢氧反应为例，即为：H2→2H+ + 2e-1/2 O2 + 2H+ +2e-→ H2OH2 + 1/2 O2→ H2O如图1-1所示，氢离子在将两个半反应分开的电解质内迁移，电子通过外电路定向流动、作功并构成总的电的回路。
氧化剂发生还原反应的电极称为阴极，其反应过程称为阴极燃料电池与常规电池不同,它的燃料和氧化剂不是贮存在电池内,而是贮存在电池外部的贮罐中。
当它工作时(输出电流并做功时)，需要不间断地向电池内输入燃料和氧化剂并同时排出反应产物。
因此，从工作方式上看,它类似于常规的汽油或柴油发电机。
由于燃料电池工作时要连续不断地向电池内送入燃料和氧化剂,所以燃料电池使用的燃料和氧化剂均为流体,即气体和液体。
最常用的燃料为纯氢、各种富含氢的气体（如重整气）和某些液体（如甲醇水溶液）。
常用的氧化剂为纯氧、净化空气等气体和某些液体（如过氧化氢和硝酸的水溶液等）。
2.1.1.2.特点(1) 高效燃料电池按电化学原理等温地直接将化学能转化为电能。
在理论上它的热电转化效率可达85～90%。
但实际上，电池在工作时由于各种极化的限制，目前各类电池实际的能量转化效率均在40～60%的范围内。
燃料电池简介ppt课件
2023-10-27
目录
• 燃料电池概述 • 燃料电池的特点 • 燃料电池的应用场景 • 燃料电池的发展现状与趋势 • 燃料电池的未来挑战与机遇 • 总结与展望
01
燃料电池概述
燃料电池的定义
燃料电池是一种将化学能直接转化为电能的发电装置。
它由正负极、电解质和外部电路组成，通过反应将燃料和氧化剂中的化学能转化 为电能。
要点一
固定电源
燃料电池可以作为一种可靠的固定电源，为家庭、商业 和工业用途提供电力。它们可以在断电或电力故障时提 供电力，并具有更高的能源效率和更低的维护成本。
要点二
分布式能源
燃料电池也可以作为一种分布式能源，为社区提供电力 。例如，一些城市已经开始使用燃料电池作为其分布式 能源的一部分，以减少对传统电网的依赖。
03
未来，燃料电池将成为一种重 要的能源转换方式，为人类的 生产生活提供更加清洁、高效 的能源解决方案。
05
燃料电池的未来挑战与机遇
技术挑战
01
02
03
材料问题
燃料电池的电解质、电 极和膜等关键材料仍需改 进，以提高其性能和稳定 性。
催化剂问题
在燃料电池中，催化剂 是促进反应的重要元素， 但目前催化剂的性能仍需 提升。
高效环保
总结词
燃料电池是一种高效和环保的能源转换技术。
详细描述
燃料电池通过将氢气和氧气结合产生电能和水蒸气，这个过程不会产生任何有害的排放物。此外，由于其高效 能量转换，燃料电池可以减少能源浪费，提高能源利用效率。
快速充电
总结词
燃料电池可以在短时间内完成充电。
详细描述
与传统的电池技术相比，燃料电池的充电速度更快。这是因为燃料电池的能量密度高，并且可以连续 供电，而不需要长时间的充电过程。
PEMFC——燃料电池课件
PEMFC——燃料电池课件
一、燃料电池概述
燃料电池技术是一种直接燃烧有机物或氢气，食物碱和水分解出质子
和电子，而不像常见的电池只含有储存的能量。
燃料电池有很多优点，如：高效率、低污染、灵活应用等。
主要应用于车载金属氢电池、家用电力系统、太阳能/燃料电池系统和中央供暖系统等领域。
燃料电池领域不断发展，市场前景也十分看好。
二、燃料电池类型
1、金属氢电池：金属氢电池是一种金属-氢燃料电池，有高功率、低
成本和高效率的特点，目前已经被广泛应用于汽车领域，尤其适用于电动
汽车和航空航天领域。
2、金属燃料电池：金属燃料电池是一种固态燃料电池，采用固体氧
化物质作为氧化剂，在此里形成了一个有机电池，其反应全部发生在固体中，有利于质量紧凑、成本低以及密度高等优点。
3、硅-碳燃料电池：硅-碳燃料电池是一种由硅碳电极和聚合物电解
质构成的燃料电池，其特点是具有高功率、高效率、高可靠性等优点。
三、PEMFC的优点
1、PEMFC具有高效率。
PEMFC能够通过准电解水的反应方式将氢气直
接转化为电能，其效率高达80-90%。
2、PEMFC具有低极柱温度特性。
厌氧极可以在室温中进行反应，无
需高温，可。
燃料电池技术的发展及应用
燃料电池技术的发展及应用第一章：燃料电池技术的基本原理燃料电池是一种将化学能转换为电能的设备，它是利用氢气、甲烷、丙烷、甚至甲醇等燃料通过氧化还原反应，在电极上产生电能的一种设备。
燃料电池的基本结构包括正极、负极、电解质和电生产部分等组成。
第二章：燃料电池技术的发展历程燃料电池作为一种新型清洁能源设备，在发展历程中经历了许多阶段。
20世纪60年代初，燃料电池技术处于实验室阶段；70年代后期到80年代初，燃料电池技术开始商业化试验；90年代末，燃料电池技术已经进入了实际应用阶段。
第三章：燃料电池技术的应用领域燃料电池技术在能源领域中有广泛的应用，包括交通运输、发电、暖通空调等领域。
在交通运输领域，燃料电池可用于车辆的动力供应，特别是在城市公交车、出租车等公共交通工具中应用广泛。
在发电方面，燃料电池可用于小型电力系统的供电，如远程自治区、野外探险等场合需要稳定的电源。
在暖通空调领域，燃料电池可用于取代传统的中央供热电站，提供清洁的供暖和空调服务。
第四章：燃料电池技术的优缺点燃料电池技术具有以下优点：一是燃料电池吸氧反应不会产生有害物质，对环境友好；二是燃料电池的效率高，能够将燃料转化为电能的有效比例达到50%以上；三是燃料电池的可靠性高，燃料电池作为新能源设备，具有较长的使用寿命和稳定的性能；四是燃料电池使用的燃料种类繁多，可根据需要选择不同类型的燃料。
但燃料电池技术也存在以下缺点：一是燃料电池的成本较高，目前较难实现大规模应用；二是供氢和制氢的技术尚未得到很好的解决，难以实现大规模应用；三是燃料电池的运行和维护需要专业技能和设备，对于一般使用者来说较为不便。
第五章：燃料电池技术的未来发展随着国家对清洁能源的侧重和对传统燃料的限制，燃料电池技术的应用前景越来越广阔。
在未来的发展中，应该重点解决燃料电池的成本问题，推动燃料电池技术的大规模应用。
同时，加强与氢气的生产、储存和运输的配套设施的建设，以推进燃料电池的产业化和推广应用，探索燃料电池在能源、环保和交通等领域的完美融合。
燃料电池 课件
表5-2 五种燃料电池特点
种 类 AFC PAFC MCFC SOFC
电解质
电 解 工作温 质 度范围
KO H
低于 260
H3PO4
190～ 210
LiCO3,K2 CO3
600～700
ZrO2+Y2 O3
约1000
腐蚀 中 强 强
无
性
氧化剂 纯氧
空气
极板材料
镍 石墨 镍， 不锈钢
陶瓷
PEMFC 离子交换膜 （特别是阳 离子交换膜）
燃料电池课件 Fuel cell
主要内容
1. 燃料电池介绍 2. 质子交换膜燃料电池材料 3. 碱性燃料电池材料 4. 磷酸型燃料电池材料 5. 直接醇类燃料电池材料
6. 熔融碳酸盐燃料电池材料 7. 固体氧化物燃料电池材料 8. 金属/空气燃料电池材料 9. 燃料电池的应用与前景
1. 燃料电池介绍
燃料电池的效率与其规模无关，因而在保持高燃料效 率时，燃料电池可在其半额定功率下运行。
封闭体系蓄电池与外界没有物质的交换, 比能量不会 随时间变化,但是燃料电池由于不断补充燃料,随着时间延 长,其输出能量也越多。
燃料电池发电厂可设在用户附近，这样可大大减少传 输费用及传输损失。燃料电池的另一个特点是在其发电的 同时可产生热水和蒸汽。其电热输出比约为1.0，而汽轮 机为0.5。这表明在相同的电负荷下，燃料电池的热载为 燃烧发电机的2倍。
料电池
池
直接碳燃料电池(DCFC)
3.1.6 燃料电池的特性
高效率
优点
可靠性高
特
良好的环境效应
性
存在
良好的操作性能
问题
灵活性高
燃料来源广泛
燃料电池-课件
严格地讲,燃料电池是电化学能量发生 器，是以化学反应发电;一次电池是电化学 能量生产装置，可一次性将化学能转变成 电能；二次电池是电化学能量的储存装置， 可将化学反应能与电能可逆转换。
16
3.1.4 燃料电池的工作原理
虽然燃料电池的种类很多并 且不同类型的燃料电池的电极反应 各有不同,但都是由阴极﹑阳极﹑ 电解质这几个基本单元构成，其工 作原理是一致的。
4
3.1.1 简介 (1)什么是燃料电池？ 简单地说,燃料电池1(Fuel Cell，简称FC)是
一种将存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为 电能的电化学装置。
作为一种新型化学电源，燃料电池是继火电、 水电和核电之后的第四种发电方式．与火力发电 相比，关键的区别在于燃料电池的能量转变过程 是直接方式，如图 1-1 所示．
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35
燃料电池的效率与其规模无关,因而在保持高燃料效 率时，燃料电池可在其半额定功率下运行。
封闭体系蓄电池与外界没有物质的交换, 比能量不会 随时间变化,但是燃料电池由于不断补充燃料,随着时间延 长,其输出能量也越多。
燃料电池发电厂可设在用户附近，这样可大大减少传 输费用及传输损失。燃料电池的另一个特点是在其发电的 同时可产生热水和蒸汽。其电热输出比约为1.0，而汽轮 机为0.5。这表明在相同的电负荷下，燃料电池的热载为 燃烧发电机的2倍。
20
当反应物消耗完时电池也就不能继续提 供电能了。而燃料电池是一个敞开体系,与 外界不仅有能量的交换，也存在物质的交 换。外界为燃料电池提供反应所需的物质， 并带走反应产物。从这种意义上讲，某些 类型的电池也具有类似燃料电池的特征， 例如锌空电池，空气4由大气提供，不 断更换锌电极可以使电池持续工作。
特
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燃料电池技术
第1章 燃料电池简介
n 1993年，加拿大电力公司展示了一辆零排放、最高时速 为72km/h、以质子交换膜燃料电池（PEMFC）为东西 的公交车，引发了全球燃料电池电动车的研究开发热潮。
n 1996年，美国加利福尼亚州的2MW 熔融碳酸盐燃料电 池试验电厂开始供电；
n 当代，各种燃料电池电站、燃料电池汽车
第1章 燃料电池简介
当前燃料电池的研发背景
能源问题： n 化石能源
日益枯竭 n 能源价格
攀升
n 传统能源 受卡诺循 环及现代 材料的限 制，转换效率只有33-35%
燃料电池技术
能源与环境
第1章 燃料电池简介
卡诺循环: 由两个可逆的等温过程和两个可逆的绝热过程 所组成的理想循环
Ø 等温膨胀：状态(p1 V1 T1)→状态(p2 V2 T1)，系统从环境中吸收热量、+Q；
n ….
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第1章 燃料电池简介
燃料电池的发电原理
燃料
离子导通
氧化剂
阳 极
阴 极
电 解 质
燃料电池技术
燃料电池是一 种能量转化装 置，按照电化 学原理，等温 地把储存在燃 料和氧化剂中 的化学能直接 转化为电能。
第1章 燃料电池简介
阳极：燃料被氧化，产生
电子和质子，电子通过外 回路到达阴极，质子穿过 膜到达阴极。
1897 年 ， 能 斯 特 发 明 “ 能 斯 特 物 质 ” ----YSZ （85%ZrO2+15%Y2O3)，该物质是目前广泛使用的高 温固体氧化物燃料电池的电解质材料；
1932-1959年，英国剑桥大学的化学家法兰西斯培根，设 计了一个电池组，在高温高压下为电池输入氢气和氧 气，制作出一个5kW的燃料电池组，能够推动电焊机， 电锯，及堆高机（Lifter）工作；
| 一层为催化剂层，由电催化剂和防水剂（如聚四氟乙烯） 等制备，其厚度仅为几微米至数十微米
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第1章 燃料电池简介
♣电催化与电催化剂
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第1章 燃料电池简介
n 1965年，以氢氧为燃料的碱性燃料电池成功的应用于美国 双子星座5号太空飞船上，成为太空的电力供应系统
n 从上世纪80年代开始，各种燃料电池在宇航、军事、交通 等各个领域中得到应用
n 1973年，发生石油危机后，研究重点从航天转向地面发电 装 置 ， 磷 酸 燃 料 电 池 （ PAFC ） 、 熔 融 碳 酸 盐 电 池 （MCFC）以及直接采用天然气、煤气和碳氢化合物作为 燃料的固体氧化物燃料电池（SOFC）作为电站或分散式 电站相继问世。
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第1章 燃料电池简介
第一章 燃料电池简介
燃料电池技术
第1章 燃料电池简介
燃料电池的定义：
燃料电池是一种能够持续地通过发生在阳极和阴 极的氧化还原反应等温的将储存在燃料和氧化剂 中的化学能直接转化为电能的能量转换装置，它 工作时需要连续不断地向电池内输入燃料和氧化 剂，只要持续供应，燃料电池就会不断提供电能。
电解
H2O
H2+O2
u1839年，英国人格洛夫， Sir William Robert Grove (1811 –
1896)，设计了一个实验方法，让氧气和氢气缓慢“燃烧”，
反应过程中
W燃i料lli电am池N技ich术olson
第1章 燃料电池简介
燃料电池之父的第一个燃料电池装置
一次电能跑150公里左右
u百公里只需10度电，如果每度电以0.5元计算，最多也
就花费5元钱。
8.06升/百公里*7元/升=56.42元/百公里
u汽车百公里耗油最低也要10升，得花费70多块钱，费
用相对高很多
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第1章 燃料电池简介
充电电动汽车存在的问题：
n 充电难、基础设施滞后-----如果建立电动汽车 充电站，那么在这么拥挤的城市里应该在什么 地方选址？
n 市场汽车保有率是否达到维持充电站的费用？ n 电动汽车充电时间较长者能达到七八个小时，
短则需要一两个小时，市民将汽车放置于充电 站后，又怎样解决交通问题？ n 充电----离不开煤炭等传统化石燃料的发电。
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第1章 燃料电池简介
n 能源危机 n 环境污染
1.提高传统效率 2.发展新能源
-----能量转换装置
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第1章 燃料电池简介
燃料电池是继火电、水电和核电之后的第四种发
电方式，与传统发电相比，燃料电池的能量转变过 程是直接方式。
转换效率30-40%
热能
动能
传统技术
可达70%以上
化学能
燃料电池
电能
图 燃料电池直接发电与传统间接发电的比较
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第1章 燃料电池简介
燃料电池技术
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第1章 燃料电池简介
汽车对燃油的消耗
l 我国汽车的普及率完全可能接近发达国家的水平---每千人300辆计算，总保有量就是4.5亿辆。
l 按每辆汽车年消耗燃油1吨计（目前欧洲的水平 1.5吨，日本1吨，中国2.2吨），4.5亿辆车需要4.5 亿吨燃油。
l 有关专家预测，2020年国内的石油年产量可达到 1.8亿吨，如进口 2.7亿吨，共计4.5亿吨。如其中 2/3给汽车用，炼成燃油约2亿吨。汽车燃油存在 2.5亿吨以上巨大缺口。
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第1章 燃料电池简介
1889年，L. Mond和 C. Langer以铂黑为电催 化剂，以钻孔的铂为电 流收集器组装出燃料电 池，当工作电流密度为 3.5 mA.cm-2时，电池的 输 出 电 压 为 0.73V 。 这 个研究已经很接近现代 的燃料电池。
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第1章 燃料电池简介
[R] 代表还原剂(燃料)，[O]代表氧化剂，P代
表反应产物。
还原剂[R] 的氧化反应
燃料电池的两个半反应：
[R] [R]++e-
氧化剂[O]的还原反应
[R]+ + [O] + e- P
[R] + [O] P
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第1章 燃料电池简介
燃料电池工作原理：
n 电极提供电子转移的场所 n 阳极进行燃料的氧化过程 n 阴极进行氧化剂的还原过程 n 导电离子在将阴、阳极分开的电解质内迁移 n 电子通过外电路做功并构成电的回路
£两种表达方式:
|质量比能量：以单位质量电池输出的功率，kW/kg 表示
|体积比能量：以单位体积电池输出的功率，kW/L 表示
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第1章 燃料电池简介
1.2 燃料电池及系统的构成
构成燃料电池的关键部件：
燃料电池
| 电极 | 隔膜 | 集流板（或称双极板） | 电解质
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第1章 燃料电池简介
分制。
（三）最终成绩=平时成绩（30%）+期末考试成绩
（70%）。
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第1章 燃料电池简介
三、教材及参考资料
（一）教材 肖刚，《燃料电池技术》，电子工业出版社，2009年。
（二）参考资料 奥海尔，等著； 王晓红，等译，《燃料电池基础》，电 子工业出版社，2007年10月。 衣宝廉，著，《燃料电池——原理·技术·应用》，化 学工业出版社，2003年8月。
4.5吨原油
3吨燃油
发展新能源
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第1章 燃料电池简介
传统能源带来的环境问题：
Ø 传统化石材料，煤炭、汽、柴油的燃烧释放COx、 NOx、SOx气体和粉尘
Ø 大量的废水、废渣、废热和噪声污染
汽车尾气排放
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全球变暖
冰川融化
第1章 燃料电池简介
使用混合动力--锂电子电池/铅酸电池，通常电动汽车充
各种燃料电 池
16学时
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第1章 燃料电池简介
（二）课程要求： 本课程要求学生上课不迟到、不早退、不旷课，
请假需要有正规假条；能够按照要求认真完成作业。 课程教学中提倡学生积极参与。
二、成绩考核
成绩考核由以下部分组成：
（一）平时成绩：出勤及课堂讨论（15%）、作业
（15%）。
（二）期末考试成绩：闭卷考试（70%），采用百
1.2.1 电极
u 电极是燃料（如氢）氧化和氧化剂（如氧）还原的电化学 反应发生的场所，包括阳极电极和阴极电极
u 电极厚度一般为200-500μm，通常分为2或3层： | 一层为扩散层或支撑层，由导电多孔材料制备，起到支撑
催化剂层、收集电流、传导气体和反应产物（如水）的作 用 | 整平层，1-2 μm
|与常规化学电源不同，类似于汽、柴油发动机
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第1章 燃料电池简介
外电路
2e
氢气
电解质
H2 2H++2e-
2e
氧气
1/2O2 + 2H++2e- H2O
阳极 膜
阴极
总反应：H2 + 1/2O2 H2O
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第1章 燃料电池简介
z 燃料电池的输出电压=E阴极-E阳极
z 电极极化现象：在电池开路时，电池的电压为 开路电压E0，当电池输出电流对外做功时，输 出电压由E0降至E，这种电压降低的现象称为 极化
阴极：氧化剂被还原，接
受电子，并与阳极来的质 子发生反应。
原理基于电化学氧化还原反应，且由于电极上发生的反应大 多为多相界面反应，为提高反应速率，电极一般采用多孔材 料．各种燃料电池的材料也都有各自的特点．
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第1章 燃料电池简介
燃料电池技术
第1章 燃料电池简介
氧化还原反应：
[R] + [O] P
Ø 绝热膨胀：状态(p2 V2 T1) →状态(p3 V3 T2)，系统对环境作功、+W；