燃料电池技术 第一章 燃料电池简介
燃料电池的概念
燃料电池的概念
什么是燃料电池
燃料电池是一种利用氢气和氧气等反应物直接生成电能的装置，其工作原理类似于常规电池，但是燃料电池具有可持续使用的特点。燃料电池通过将化学能转化为电能，成为一种清洁、高效、环保的能源转换技术。
燃料电池的工作原理
燃料电池由阳极、阴极和电解质组成。阳极和阴极之间的电解质负责离子传递，而阳极和阴极上的催化剂则促进氧气和氢气等反应物的电化学反应。当氢气进入阳极时，其中的氢离子（H+）通过电解质传递到阴极，而电子则在外部电路中流动，形成电流。在阴极处，氧气与氢离子和电子发生反应，生成水和热量。整个过程中，电化学能转化为电能，实现了能量的转换。
燃料电池的类型
燃料电池可以分为多种类型，常见的有以下几种：
1. 质子交换膜燃料电池（PEMFC）
质子交换膜燃料电池是一种常用的燃料电池类型。其特点是具有高效率、响应速度快以及体积轻巧等优点，适用于移动设备和汽车等领域。
2. 碱性燃料电池（AFC）
碱性燃料电池在碱性条件下工作，其电解质为氢氧化钾（KOH）溶液。碱性燃料电池具有较高的能量密度和效率，但耐腐蚀性较差，适用于航空航天和海洋等领域。
3. 磷酸燃料电池（PAFC）
磷酸燃料电池采用磷酸作为电解质，具有较高的热效率和电效率。它在稳定性和可靠性方面表现出色，适用于一些固定应用，如公共服务和工业领域。
4. 氧化铜燃料电池（SOFC）
氧化铜燃料电池利用固体氧离子传递氧气，在高温下工作。它具有高效率和高耐久性等优点，适用于大型电网和工业领域。
燃料电池的应用
燃料电池在能源领域有着广泛的应用前景，以下是一些应用案例：
燃料电池技术3篇
燃料电池技术
第一篇：燃料电池技术的基本概念
燃料电池是一种将化学反应能直接转化为电能的新型电池，可以清洁高效地产生电能，被认为是未来能源产业的重要方向之一。燃料电池的基本原理是将燃料和氧气经过一系列反应，生成电能、水和少量废气。与传统的化石燃料燃烧产生大量废气的方式不同，燃料电池具有环保、高效、安全等优点，因此在航空航天、交通运输、建筑等领域得到广泛应用。
燃料电池的种类根据不同的工作原理和反应物种类分为
多种类型，如质子交换膜燃料电池、固体氧化物燃料电池、碱性燃料电池等。其中，质子交换膜燃料电池是目前应用最广泛的一种燃料电池，其工作原理是采用离子交换膜将氢气和氧气分别引导到阳极和阴极，通过氢离子和电子的转移反应，产生电能和水。
另外，燃料电池作为一种颠覆性的能源技术，其经济性
也备受关注。目前，燃料电池的成本较高，仍需要进一步降低成本。但随着技术的不断进步和产业规模的不断扩大，燃料电池的生产成本将逐渐降低，应用范围和市场前景也将不断扩大。
总之，燃料电池技术的发展将不断推动人类向清洁、高效、可持续的能源转型，具有重大的战略意义和发展前景。
第二篇：燃料电池技术的发展现状
燃料电池作为一种新型能源技术，近年来得到了越来越
广泛的关注和应用。目前，燃料电池技术在交通运输、航空航天、建筑、能源储存等领域已经取得了诸多成功的应用案例，
取得了显著的经济、社会和环保效益。
目前，燃料电池技术的发展主要存在以下几个方面的问题：
1. 成本高。燃料电池的成本较高，主要原因是材料成本
和制造工艺成本等因素。此外，燃料电池的寿命和性能等方面的稳定性还需要进一步改进。
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。
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。
燃料电池
燃料电池
一、概述
燃料电池
燃料电池十分复杂，涉及化学热力学、电化学、电催化、材料科学、电力系统及自动控制等学科的有关理论，具有发电效率高、环境污染少等优点。总的来说，燃料电池具有以下特点：
（1）能量转化效率高：它直接将燃料的化学能转化为电能，中间不经过燃烧过程，因而不受卡诺循环的限制。目前燃料电池系统的燃料—电能转换效率在45%～60%，而火力发电和核电的效率大约在30%～40%。
（2）有害气体SOx、NOx及噪音排放都很低，CO2排放因能量转换效率高而大幅度降低，无机械振动。
（3）燃料适用范围广。
（4）积木化强：规模及安装地点灵活，燃料电池电站占地面积小，建设周期短，电站功率可根据需要由电池堆组装，十分方便。燃料电池无论作为集中电站还是分布式电，或是作为小区、工厂、大型建筑的独立电站都非常合适。
（5）负荷响应快，运行质量高：燃料电池在数秒钟内就可以从最低功率变换到额定功率，而且电厂离负荷可以很近，从而改善了地区频率偏移和电压波动，降低了现有变电设备和电流载波容量，减少了输变线路投资和线路损失。
二、实验目的
1、测量燃料电池的伏安特性曲线、开路电压、短路电流、最大输出功率以及转化效率。
2、观察能量转换过程：
光能→太阳能电池→电能→电解池→氢能→燃料电池→电能
三、实验原理
1、质子交换膜燃料电池（PEMFC）的工作原理
燃料电池的工作过程实际上是电解水的逆过程，其基本原理早在1839年由英国律师兼物理学家威廉.罗泊特.格鲁夫（William Robert Grove）提出，他是世界上第一位实现电解水逆反应并产生电流的科学家。一个半世纪以来，燃料电池除了被用于宇航等特殊领域外，极少受到人们关注。只是到近十几年来，随着环境保护、节约能源、保护有限自然资源的意识的加强，燃料电池才开始得到重视和发展。
燃料电池第一章
a i 等于气体的压力， vi 是反应式中的计量系数，K 为 其中， 反应的平衡常数
1.2.2 电极电势与标准氢电极
Pt , H 2 H Cu
2
Cu
从左至右为电池中两个电 极之一的材料，与其相接触的电 解液， 与另一个电段相接触的电解液， 另一电极材料。用 竖线或逗号表示相界 。当两电极的电解液不同时. 若液体接 界电位已消除，用双实竖线表示，未消除用双虚竖线表示 。
1.1.4 应用 氢氧化钾为电解质的碱性燃料电池已成功地应用于载人航天 飞 行。 磷酸为电解质的磷酸型燃料电池，至今已有近百台PC25 (200 kW) 作为分散电站在世界各地运行 。 质子交换膜燃料电池可在室温快速启动，并可按负载要求快速 改变输出功率，是电动车 、不依赖空气推进的潜艇动力源和各种 可移动电源的最佳候选者 。 甲醇为燃料的直接甲醇型燃料电池是单兵电雷、笔记本电脑 等 供电的优选小型便携式电源。 固体氧化物燃料电池可与媒的气化构成联合循环，特别适宜于建 造大 型、中型电站，
图1.1 燃料电池工作原理示意图
H 2 2H 2e
Chapter 1
1.1 原理、特点、分类与应用
1.1.3 分类 按电池所采用的电解质可分为： 碱性燃科电池，磷酸型燃料电池，质子交换膜燃料电池，熔融碳酸 盐型燃料电池，固体氧化物燃料电池。 按电池温度可分为： 低温〈工作温度低于100t) 燃料电池，包括碱性燃料电池和质子 交换膜燃料电池。 中温燃料电池(工作温度在100-300t).包括培根型碱性燃料电池和 磷酸型燃料电池 。 高温燃料电池{工作温度在600 ~ 1000t) ，包括熔融碳酸盐燃料 电池和固体氧化物燃料电池 。
燃料电池发电技术
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。
空气供应系统
空气供应系统是燃料电池发电技术中的另一 个重要组成部分，其作用是为燃料电池堆提 供足够的空气。
空气供应系统通常包括空气压缩机、空气干 燥器和过滤器等设备。在系统中，空气经过 压缩机的压缩后，通过干燥器去除水分，并 经过过滤器去除杂质和颗粒物。然后，处理
后的空气通过管道输送到燃料电池堆。
燃料电池堆
燃料电池堆是燃料电池发电技术的核心设备，由多个单电 池组成的。每个单电池都包含阳极、阴极和电解质。在燃 料电池发电过程中，燃料和氧化剂通过阳极和阴极进入电 池，并在电解质中发生电化学反应，产生电流。
燃料电池堆的性能直接影响到整个燃料电池系统的效率和 输出功率。因此，燃料电池堆的设计和制造需要考虑到许 多因素，如材料选择、电解质类型、操作条件等。
始进入商业化应用阶段。
展望
拓展应用领域
提高能效
随着技术的不断进步和成本的降低，燃料 电池发电技术的应用领域将会进一步拓展 ，包括交通、航空、航海、工业等领域。
燃料电池简介
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。
1.1 燃料电池的历史 1838 年 德 国 物 理 学 和 化 学 教 授 Christian Friedrich Schonbein发明了燃料电池，它使用两个由白金组成的电 极插入电解液里，当有氢气和氧气在电解液里时，就会 在两个电极上产生电压，这就是最原始的燃料电池原理。 1839 年 物 理 学 家 Walisischen Jurist 和 William Robert Grove也发现了燃料电池现象。
Christian Friedrich Schonbein
WillBiblioteka Baiduam 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 。
燃料电池(课件)
真题突破
（2019·全国高考真题）利用生物燃料电池原理研究室温下氨的 合成，电池工作时MV2+/MV+在电极与酶之间传递电子，示意图 如下所示。下列说法错误的是
B．阴极区，在氢化酶作用下发生反应 H2+2MV2+=2H++2MV+
真题突破
（2019·全国高考真题）利用生物燃料电池原理研究室温下氨 的合成，电池工作时MV2+/MV+在电极与酶之间传递电子，示意 图如下所示。下列说法错误的是
C．正极区，固氮酶为催化剂，N2发生还原反应生成NH3 D．电池工作时质子通过交换膜由负极区向正极区移动 【答案】B
真题突破
（2019·全国高考真题）利用生物燃料电池原理研究室温下氨 的合成，电池工作时MV2+/MV+在电极与酶之间传递电子，示意 图如下所示。下列说法错误的是
A．相比现有工业合成氨，该方法条件温和，同时 还可提供电能
配平方法
电极方程式是一种特殊的离子方程式，满足离子方程式的原子守恒和电荷守恒。因此依据原子守恒 和电荷守恒可以配平负极反应方程式。注意在使用电荷守恒时，减去电子的数目相当于加上同等数 目 的 负 电 荷 。 如 C H ₃ O H ﹣ 8 e ˉ + 1 0 O H ˉ = C O 3 2-+ 7 H ₂ O ， 左 边 为 1 × 8 + ( － 1 ) × 1 0 = - 2 ， 有 两 个 负电荷，右边为－2×1=－2，同样有两个负电荷，所以两边电荷守恒。碱性条件下常常用氢氧根 调节电荷平衡和氧元素平衡，酸性条件下常常使用氢离子调节电荷平衡和氧元素平衡。
燃料电池
图3-3-12 固体氧化物燃料电池的组成
五、固体氧化物燃料电池（SOFC）
1）电解质 电解质是固体氧化物燃料电池最核心的部件，它的主要功能在于传导氧离子。 2）电极 电极主要由催化剂制成。 ①阴极 阴极需要长期在高温和氧化中工作，起传递电子和扩散氧作用,应是多孔洞的电子导电性薄膜。 ②阳极 阳极主要应用价格最低的Ni/YSZ陶瓷合金材料。 3）连接材料 连接材料在单电池间起连接作用，并将阳极侧的燃料气体与阴极侧氧化气体（氧气或空气）隔离 开来。
四、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）
2ຫໍສະໝຸດ Baidu熔融碳酸盐燃料电池的工作原理 熔融碳酸盐燃料电池的工作原理如图3-3-11所示。
图3-3-11 熔融碳酸盐燃料电池工作原理
四、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）
燃料电池工作过程实质上是燃料的氧化和氧化剂的还原过程。燃料和氧化剂气体流经阳极和阴极 通道。氧化剂中的O2和CO2在阴极与电子进行氧化反应产生CO32-，电解质板中的CO32-；接从阴 极移动到阳极，燃料气中的H2与CO32－在阳极发生反应，生成了CO2、H2O和电子。电子被集流 板收集起来，然后到达隔板。隔板位于燃料电池单元的上部和下部，并和负载设备相连，从而构成 了包括电子传输和离子移动在内的完整的回路。
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。
燃料电池 第一章第三四节
低污染, 低噪音
有效利用 能源, 低 噪音,没 有外部气 体配置, 腐蚀性电 解液
有效利用 能源, 没 有外部气 体配置, 腐蚀性电 解液对材 料的要求 非常苛刻
低温燃料电池（60— 120℃）
中温 (160— 220℃)
高温燃科电池(600— 1000℃) 锂和碳酸 固体院瓷 钾 体
电解 氢氧化钾溶液 质子交换 磷酸 体 膜 燃料 纯氢
问题： 什么电极电势、电源电动势、开路电压与工 作电压？它们是什么关系？
3.3 效率和效率极限
能量转换装置的效率是指装置输出的能量占输 入能量的百分数比，即
热机效率，从热力学第二定律知，任何热机的效率都不可能达 到100％。对于冷热两热源的热机系统，其最大效率为卡诺 (carnot)循环效率，即：
燃料电池开路电压的计算
电池反应的自由焓变化为△G，并相应地有n 摩尔电子发生转移，在原电池的开路电压 可由下式计算：
甲醇燃料电池的总反应为：
在标准状态下，该电池反应的△G为-698kJ／molΒιβλιοθήκη Baidu每反应1mol 甲醇有6个电子转移。将上述数字代上式，得到甲醇燃料电池的 开路电压为：
3.2 工作电压
第一章 小结
什么是电池、燃料电池与化学电源? 什么是电极电势、电池电动势、开路电压 与工作电压？ 燃料电池的主要有哪几种类型？
开路电压是电池无电流、无过电位时的理想电池电动势。然而，燃 料电池工作时不可能处在这样的理想状态，而且在有一定的电 流、过电位的实际状态下工作。理想电池电动势(开路电压)和实 际电池电动势(工作电压)与电流密度的关系如下图：
燃料电池技术概念简述
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2.1.1.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-→ H2O
H2 + 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）。
燃料电池知识点总结
燃料电池知识点总结
一、燃料电池的基本知识
1.1 燃料电池的定义
燃料电池是一种通过将氢气或含氢化合物燃料与氧气在催化剂的作用下进行氧化还原反应，将化学能直接转化为电能的电化学能源装置。
1.2 燃料电池的组成
燃料电池主要由阳极、阴极、电解质和电极反应催化剂组成。其中阳极和阴极之间是电解
质层，阳极和阴极外部分别连接电流导体并提供气体进出。
1.3 燃料电池的优点
燃料电池具有高效能、零排放、低噪音、易于储存和传输等优点，是一种理想的清洁能源
技术。
1.4 燃料电池的缺点
目前燃料电池技术还存在成本较高、储氢问题、催化剂稀有等问题，限制了其在大规模应
用中的推广。
二、燃料电池的类型
2.1 氢氧燃料电池
氢氧燃料电池是利用氢气和氧气通过电化学反应产生电能的电池。它的主要类型包括碱性
燃料电池（AFC）、聚合物电解质膜燃料电池（PEMFC）和磷酸燃料电池（PAFC）等。
2.2 甲醇燃料电池
甲醇燃料电池是将甲醇作为燃料，通过对甲醇进行氧化还原反应来产生电能。它的主要类
型包括直接甲醇燃料电池（DMFC）和高温甲醇燃料电池（HTMFC）等。
2.3 碳氢燃料电池
碳氢燃料电池是将石油、天然气、生物质等碳氢化合物作为燃料，通过电化学反应来产生
电能。它的主要类型包括燃料电池烷烃燃料电池（PAFC）、燃料电池烃烃燃料电池（PEMFC）和燃料电池液化石油气燃料电池（LPGFC）等。
三、燃料电池的工作原理
3.1 燃料电池的工作原理
燃料电池是一种通过氢气或含氢化合物作为燃料，在阳极发生氧化反应产生电子，电子通
过外部电路产生电流，然后在阴极与氧气反应释放出电子和水的电化学装置。
燃料电池
3. 质 子 交 换 膜 燃 料 电 池 (PEMFC) 质子交换膜燃料电池(PCMFC) 是继碱性燃料电 池(AFC) 、磷酸燃料电池( PAFC) 、熔融碳酸盐燃料 电池(MCFC) 和固体氧化物燃料电池(SOFC) 而发展 起来的第五代燃料电池。质子交换膜燃料电池 (PEMFC) 也称为固体聚合物电解质燃料电池，它的 电极为多孔气体扩散电极，以纯铂或碳载铂作电催 化剂，电解质为全氟磺酸型固体聚合物，氢气为燃 料，氧气或空气为氧化剂。反应机理如下： 阴 极 反 应 ： H2 → 2H+ + 2e阳极反应：1/2O2 + 2H+ + 2e- → H2O 总反应： H2 + 1/2O2 → H2O
P型半导体中含有较多的空穴，而N型半导体中含有较多的 型半导体中含有较多的空穴， 型半导体中含有较多的空穴 型半导体中含有较多的 电子，这样， 型和N型半导体结合在一起时 电子，这样，当P型和 型半导体结合在一起时，就会在接 型和 型半导体结合在一起时， 触面形成电势差，这就是PN结 触面形成电势差，这就是 结 。
当晶片受光后， 结中 结中， 型半导体的空穴往 型区移动， 型半导体的空穴往P型区移动 当晶片受光后，PN结中，N型半导体的空穴往 型区移动， 型区中的电子往N型区移动 型区到P型区 而P型区中的电子往 型区移动，从而形成从 型区到 型区 型区中的电子往 型区移动，从而形成从N型区到 的电流。然后在PN结中形成电势差 这就形成了电源。 如 结中形成电势差， 的电流。然后在 结中形成电势差，这就形成了电源。(如 下图所示） 下图所示）
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
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燃料电池技术
课件
第1章 燃料电池简介
一、课程内容简介
4学时
6学时
基础理论与研 究方法
燃料电池中的热力学、 动力学、电催化理论简 介、传质及表征方法
概述、发展、 工作原理
研究前沿
2学时
4学时
燃料电池
燃料与氧化 剂供应
碱性燃料电池 质子交换膜燃料电池 直接甲醇燃料电池 磷酸燃料电池 熔融碳酸盐燃料电池 固体氧化物燃料电池
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。
燃料电池技术
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
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
燃料电池技术
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？
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。
= 1− Q2 Q1
= 1− T2 T1
等温线T1、高温
Ø 卡诺循环的效率只与两个热源的热 力学温度有关。
Ø在相同温度的高、低温热源之间工 作的一切实际热机，其效率都不会大 于可逆卡诺热机的效率
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等温线T2、低温 第1章 燃料电池简介
u据公安部统计，截止2016年年底，我严国重的汽雾霾 车保有量达到2.9亿辆，49个城市汽车保有量 超过100万辆。北京、天津、成都、深圳、上 海、广州、苏州、杭州等18个城市汽车保有 量超过200万辆，其中北京超过540万辆。 u汽车保有量的迅速增加，严重加剧了空气 污染。全国许多城市空气污染严重，其中 65% 的 城 市 环 境 污 染 、 25% 的 二 氧 化 碳 、 70%的 有 毒 气 体 来 自 于 汽 车 尾 气 ， 并 且 是 PM2.5的主要来源。 u大城市空气质量严重污染
-----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
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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”，
反应过程中产生了微弱的电流
---------燃料电池的雏形
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
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
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第1章 燃料电池简介
氧化还原反应：
[R] + [O] P
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
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
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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。
Ø 绝热膨胀：状态(p2 V2 T1) →状态(p3 V3 T2)，系统对环境作功、+W；
Ø 等温压缩：状态(p3 V3 T2) →状态(p4 V4 T2)，系统向环境中放出热量、 +Q ；
Ø 绝热压缩：状态(p4 V4 T2) →状态(p1 V1 T1)，环境对系统作功、-W 。
ηCarnot
=
W Q1
1959年，艾丽斯-查尔莫斯公司开发出第一辆15KW碱性 燃料电池拖拉机，可以推动3000lb(1lb=0.4536kg)的重 物；
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第1章 燃料电池简介
20 世 纪 60 年 代 ， 燃料电池首次应 用在美国航空航 天管理局的阿波 罗登月飞船上作 为辅助电源，为 人类登月作出了 积极贡献。
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第1章 燃料电池简介
第一章 燃料电池简介
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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。
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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
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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
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；
£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） | 源自文库解质
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第1章 燃料电池简介
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%
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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；
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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
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。
----简单地说，燃料电池(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。
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第1章 燃料电池简介
燃料电池与其他电池的区别
n 普通电池(Battery) -----能量储存装置
e.g.，Lithium Ion Battery n 燃料电池(Fuel Cell)
| 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
n 一个电池总的极化包括：阳极氧化、阴极氧化 和欧姆电位降三部分
z 电池输出电流时阳极电位的损失称为阳极极化 z 电池输出电流时阴极电位的损失称为阴极极化 z 电阻引起的电压降低
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第1章 燃料电池简介
燃料电池运行特性----比能量(功率密度)
£比能量：用来判别燃料电池的发电性能。
£电池比能量的物理意义是电池单位质量或单位体 积所能输出的电能。
[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
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
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能源化学工程专业
燃料电池技术
第1章 燃料电池简介
1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 燃料电池技术
主要内容
发展、工作原理 燃料电池构成 燃料电池的分类 燃料电池的特性 燃料电池的展望
第1章 燃料电池简介
1.1 燃料电池的发展历史
u1790 年 ， 英 国 化 学 家 尼 科 尔 森 , W. William Nicholson (1753~1815)，设计了一个伏打电池堆，将导线放在水里通过 电流时，发现导线两端有气泡冒出，经分析是氧气和氢气
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