燃料电池+基础理论动力学+热力学+研究方法(高教知识)
燃料电池的电化学和热力学特性研究
燃料电池的电化学和热力学特性研究燃料电池是一种基于电化学技术的能源转换系统，可以将化学反应产生的能量转化成电能和热能。
它不仅可以提供清洁的、高效的能源，还可以减少对环境的影响。
在燃料电池中，燃料和氧气在电极上发生反应，产生电子和离子。
这些电子在外部电路中流动，产生电流；而离子则通过电解质膜传递到另一端，与另一端的氧气反应，生成水和热能。
本文将探讨燃料电池的电化学和热力学特性研究。
燃料电池的电化学特性研究燃料电池的电化学特性主要包括电极反应动力学和离子传输动力学。
电极反应动力学是指燃料电池中电极上发生的化学反应速率和反应机理。
在燃料电池中，贵金属催化剂通常用于促进电极上的反应，如在氢氧燃料电池中，铂是一种常用的催化剂。
铂能够加速氢分子在电极上的氧化反应，同时加速氧分子在电极上的还原反应，从而促进燃料电池的反应速率。
离子传输动力学是指离子在电解质膜和电极之间的传输方式和传输速率。
电解质膜是燃料电池中重要的组成部分，它能够将电子和离子分离，从而保证燃料电池的正常工作。
在燃料电池中，高效的电解质膜能够提高离子传输速率，从而提高燃料电池的效率和性能。
近年来，很多学者致力于电解质膜的研究，尝试发现更好的电解质材料以提高燃料电池的性能和降低成本。
燃料电池的热力学特性研究燃料电池的热力学特性主要包括燃料和氧化剂的热值及其燃烧产物的热值、燃料电池系统的热收支平衡等。
在燃料电池中，燃料和氧化剂通常是氢气和氧气，它们的热值与其燃烧产物的热值有关。
需要注意的是，燃料电池中反应产生的热能需要平衡燃料电池系统的热收支平衡，否则会影响燃料电池的效率和寿命。
由于燃料电池技术尚未成熟，其中很多科学问题仍需要深入研究。
例如，如何提高燃料电池的效率和寿命，以及如何降低燃料电池的成本等。
目前科学家正在尝试利用新材料和新技术来解决这些问题，如非贵金属催化剂、低成本的电解质材料和复合材料等。
这些新材料和新技术的应用将有助于提高燃料电池的效率和性能，从而推动清洁能源的发展。
燃料电池技术 第二章 燃料电池基础理论与研究方法(1)
28
1. 电化学极化(活化极化) 任何电极过程均包含一个或多个质点接受或 失去电子的过程，由这一过程引起的极化称之 为电化学过电位或活化过电位。 它发生在电极表面上，当电化学反应有缓慢 的电极动力学过程控制时，即电化学极化与电 化学反应速度有关。 与 一 般 化学反应 一 样 ，电化学反应的 进行 也 必须克服称 之 为 活 化能的能 垒 - 即 反应 阻 力。
单位时间内物质的转化量：
21
与化学反应 速 度 定义一 样 ，电化学反应 速 度 v 定义为
d (∆m) dQ v= = ke = ke I dt dt
即电流强度 I 可以表示任何电化学反应的速度，这也 适合于FC。 如F表示1法拉第常数的电量，则 I/nF（n为反应转移 的电子数）是用物质的量表示的电化学反应速度。
燃料电池技术 第2章 燃料电池基础理论与研究方法
6
燃料电池对外做电功 外做电功， ，燃烧和爆炸对外则不做 非体积功。 非体积功 。显然燃料电池对外做的功大于 简单 的燃烧，而他对外的发热要小于燃烧。 燃料电池 直 接 将 化学能 转变为 电能 电能， ， 而不需要 像 燃 烧先转换为 热能。 热能 。 电能到 其他形式 的能的 利用效率可以高达100 100% %，而 热能的利用由于热 机的局限， 限，效率较低。
燃料电池技术 第2章 燃料电池基础理论与研究方法
7
吉布斯自由能与反应自发性的关系
△G＞0，非自发； △G＝0，平衡； △G＜0，自发。
燃料电池技术
第2章 燃料电池基础理论与研究方法
8
无论是燃烧、爆炸还是发电，各种过程 的 焓变△Ｈ 、 熵变△ S和吉布斯自由能 变△G都是相同的。 燃料电池中 “ Gibbs 自由能 ” 的 概念很 重要。其定义为：在等温、等压过程中， 可用于外部工作的非体积功。 “外部工作”包括沿外部电路移动电子。
燃料电池_+基础理论动力学_+_热力学+研究方法共167页
31、只有永远躺在泥坑里的人，才不会再掉进坑里。——黑格尔 32、希望的灯一旦熄灭，生活刹那间变成了一片黑暗。——普列姆昌德 33、希望是人生的乳母。——科策布 34、形成天才的决定因素应该是勤奋。——郭沫若 35、学到很多东西的诀窍，就是一下子不要学很多。——洛克
燃料电池_+基础理论动力学_+_热力学+ 研究方法
1、合法而稳定的权力在使用得当时很 少遇到 抵抗。 ——塞 ·约翰 逊 2、权力会使人渐渐失去温厚善良的美 德。— —伯克
3、最大限度地行使权力总是令人反感 ；权力 不易确 定之处 始终存 在着危 险。— —塞·约翰逊 4、权力会奴化一切。——塔西佗
燃料电池技术的研究
燃料电池技术的研究燃料电池作为一种新型清洁能源，一直备受关注，因为其高效，环保，安全，便携等特点被广泛研究和应用。
本文将从燃料电池技术的基本原理、分类、现状和未来发展等方面进行探讨。
一、燃料电池技术的基本原理燃料电池是一种通过氢气、甲烷等可燃气体在催化剂的作用下与氧气反应产生电能的装置。
其基本原理是将氢气和氧气在负极和正极分别与催化剂反应，产生电子和离子，然后经过电解质膜相互作用，形成更加强大的电流，最终通过外部电路输出电能，同时排放的是水和二氧化碳等无害物质。
二、燃料电池技术的分类燃料电池可根据不同的电解质材料、质子、电子传导方式或氢气的供应来源等，分类为聚合物电解质燃料电池（PEFC）、固体氧化物燃料电池(SOFC)、直接甲醇燃料电池(DMFC)、碘液流电池(ILFC)、固体聚合物碱性燃料电池(SAFC)、甲烷燃料电池等。
其中聚合物电解质燃料电池应用最广泛，主要由聚合物电解质层、阳极、阴极、气体扩散层、双极板等构成，常用于汽车、船舶、飞机、军事等领域。
而固体氧化物燃料电池则用于能量输出更大的领域。
三、燃料电池技术的现状目前，燃料电池技术已经进入实际应用阶段。
许多车辆制造商正在加紧推进燃料电池汽车的开发和测试，并已经在全世界范围内进行了一系列的试验和上路测试。
燃料电池还在船舶、家庭、通讯、航空、军事等领域得到广泛应用。
然而，燃料电池技术还面临一些挑战。
例如，材料成本高，氢气的储存和运输成本也很高，燃料电池的寿命和稳定性也需要进一步改善，并且大规模商业应用时需要建立完善的基础设施。
四、燃料电池技术的未来发展随着环保理念在社会中的不断普及和燃料电池技术的不断成熟，燃料电池的应用前景十分广阔。
未来，随着技术的不断进步，燃料电池设备的成本和使用寿命也将会得到更进一步的提升。
同时，新型材料的开发和使用、更加高效的催化剂以及氢气的制备、储存和供应技术的提升，都将对燃料电池技术未来的发展做出贡献。
总之，燃料电池技术作为一种清洁、高效和可靠的能源，是未来能源发展的趋势。
燃料电池热力学
燃料电池热力学引言燃料电池是一种将化学能直接转化为电能的装置，具有高效、环保、静音等优点，被广泛应用于交通运输、能源存储等领域。
燃料电池的工作原理涉及热力学的相关概念和原理，本文将深入探讨燃料电池热力学的基本概念、方程式和应用。
燃料电池基本概念燃料电池是一种通过氧化还原反应将燃料和氧化剂直接转化为电能的装置。
燃料电池通常由阴极、阳极和电解质三部分组成。
其中，阴极是氧化剂的电极，阳极是燃料的电极，电解质用于阻止阴极和阳极之间的直接接触。
燃料电池热力学方程燃料电池的工作过程涉及到化学反应，因此热力学方程对于理解燃料电池的工作原理非常重要。
以下是几个与燃料电池热力学相关的方程：1.燃料电池的电动势（E）可以通过以下方程计算： E = E0 - (RT/nF) *ln(Q) 其中，E0是标准电动势，R是理想气体常数，T是温度，n是电子转移数，F是法拉第常数，Q是反应的电子转移数比。
2.燃料电池的功率密度（P）可以通过以下方程计算： P = E * I 其中，E是电动势，I是电流。
3.燃料电池的效率（η）可以通过以下方程计算：η = (P / (nF * Q *V_fuel)) * 100% 其中，P是功率密度，n是电子转移数，F是法拉第常数，Q是反应的电子转移数比，V_fuel是燃料的体积。
燃料电池热力学应用燃料电池热力学的应用广泛，以下是几个常见的应用领域：1.交通运输：燃料电池在汽车、公交车和火车等交通工具中的应用可以减少尾气排放和噪音污染，提高能源利用效率。
2.能源存储：燃料电池可以将电能转化为化学能进行储存，用于太阳能和风能等不稳定能源的储备。
3.科研实验：燃料电池可以作为实验室中的电源，为各种实验提供稳定的电能。
4.航空航天：燃料电池在航空航天领域的应用可以减轻飞机和航天器的重量，提高续航能力。
总结燃料电池热力学是理解燃料电池工作原理的基础，通过热力学方程可以计算燃料电池的电动势、功率密度和效率等参数。
燃料电池课件
燃料电池课件燃料电池课件燃料电池是一种利用氢气和氧气反应产生电能的装置。
它具有高效能、无污染和低噪音等优点，因此在能源领域备受关注。
本文将介绍燃料电池的基本原理、分类、应用以及未来发展方向。
一、基本原理燃料电池的基本原理是利用氢气和氧气的氧化还原反应来产生电能。
在燃料电池中，氢气通过阳极（负极）进入电解质层，而氧气通过阴极（正极）进入电解质层。
在电解质层中，氢气发生氧化反应，产生电子和氢离子。
电子通过外部电路流动，形成电流，而氢离子则通过电解质层流动，进入阴极。
在阴极上，氢离子与氧气发生还原反应，生成水。
整个过程中，产生的电能可以用来驱动电动设备。
二、分类燃料电池根据不同的电解质材料和工作温度可以分为若干种类型。
常见的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。
不同类型的燃料电池在工作原理、材料选择和适用场景等方面存在差异。
例如，PEMFC适用于低温环境，具有响应速度快、体积小的特点，常用于汽车和便携式设备；而SOFC适用于高温环境，具有高效能和长寿命的特点，常用于工业领域。
三、应用燃料电池在各个领域具有广泛的应用前景。
在交通领域，燃料电池可以用作汽车的动力源，取代传统的燃油发动机，实现零排放。
目前，许多汽车制造商已经推出了燃料电池汽车，并在市场上取得了一定的成功。
在能源领域，燃料电池可以用于家庭和商业建筑的电力供应，解决能源短缺和环境污染问题。
此外，燃料电池还可以用于便携式设备、航空航天等领域，为各种应用提供可靠的电源。
四、未来发展方向尽管燃料电池在能源转型中扮演着重要角色，但仍面临一些挑战和限制。
首先，燃料电池的成本较高，制约了其大规模应用。
其次，氢气的生产、存储和输送仍存在技术难题，需要进一步研究和改进。
此外，燃料电池的寿命和稳定性也需要提高，以满足实际应用的需求。
未来，燃料电池的发展方向主要包括降低成本、提高效率、延长寿命和改善氢气供应链等方面。
燃料电池技术的研究和应用分析
燃料电池技术的研究和应用分析第一章：燃料电池技术的基本原理燃料电池（Fuel cell）是一种将化学能直接转化为电能的高效能源转换设备，其能源来源是氢气或氢气与氧气的混合物，而不是传统燃烧能源如烟煤、石油和天然气等。
与传统化石燃料相比，燃料电池具有高能量利用率、无排放、低噪音、模块化设计等优点，逐渐受到人们的重视和广泛应用。
燃料电池系统主要由燃料电池、质子交换膜、氢气储氮罐、氧气储氮罐、氧化还原催化剂和电子控制系统等部分组成。
燃料电池工作原理上来看，能以氢气等可再生能源作为燃料的原因在于氢气的电子与质子的离子迁移过程非常自然，进而让燃料电池发电产生电流。
且因氢气的纯度要求高，燃烧产物只有水，氢能够利用生产水和热，不会产生二氧化碳。
因此，燃料电池不会污染环境，是一种绿色能源技术。
第二章：燃料电池技术的发展历程燃料电池的历史可以追溯到19世纪，当时人们发现在产生电压的时候，“Nascent hydrogen”原子处在活跃状态，可与氧分子反应产生电阻。
一直到1839年，Kirchhoff和Bunsen首先利用吸附原理制备半导体，他们通过将电解质液体固定到带有铂电极的棉花中，使其生成水和氧吸附原子。
这种方法已经可以产生稍微强一些的电流（10mA），但利用不广泛。
1900年H.Richardson和P.T.Moody在进行的实验中发现，使用铂和红色润湿了的铂来催化电极则可以引发燃料电池反应，但是以铂电极丝作为工作电极的电池需要的电流太大，且铂电极的成本昂贵，难以普及。
1940年，Francis Bacon在金纯度为99.98％时得到了更好的结果，并发展了带有氢气阀的氢燃料电池。
到了1950年代，“发电电池”和燃料电池可以用于航空和船舶，且利用丙烷在发电电池上技术已经比使用氢气实现更为稳定。
20世纪80年代以后，燃料电池技术迎来了两次飞跃式的发展，第一次是由于原魏玛共和国内的一种化学反应被发现，能够关键地进一步促进燃料电池技术；第二次则是由于亚洲金融危机。
燃料电池反应机理和动力学研究
电极反应动力学模型：描述电极反 应动力学的数学模型
电极反应动力学的实验研究方法
燃料电池放电测试：通过测量燃料电池在不同条件下的放电性能，研究电极反应动力学。
电化学阻抗谱分析：通过测量电极的电化学阻抗谱，分析电极反应的动力学过程。
循环伏安法：通过在电极上施加一系列电压扫描，研究电极反应的动力学过程和反应机理。
汽车行业：除了电动汽车外，燃料电池还可以应用于公共汽车、出租车等公共交通工具，减少尾气 排放和改善空气质量。
航空航天：燃料电池在航空航天领域也有应用，如卫星、火箭推进器等。
燃料电池的发展趋势与前景展望
燃料电池技术不断进步，成本逐渐降低，性能不断提升。 燃料电池应用领域不断扩大，包括汽车、无人机、便携式电源等。 政府支持力度加大，推动燃料电池产业发展，未来市场潜力巨大。
燃料电池的电极反应
燃料电池的电极反应是 燃料电池工作的核心过 程，涉及到氧化还原反 应的进行和电子的转移。
电极反应分为阳极反应 和阴极反应，阳极反应 是燃料氧化过程，阴极 反应是氧化剂还原过程。
电极反应的速率受电极 材料、电解质性质、反 应物浓度和温度等因素 影响。
电极反应的效率直接影响 燃料电池的性能和效率， 因此研究电极反应机理对 于提高燃料电池性能具有 重要意义。
计时电流法：通过测量电极在不同时间点的电流响应，研究电极反应的动力学过程和反应机 理。
电极反应动力学的研究进展
近期研究：重点在于电极反 应动力学模型的开发和应用
研究难点：电极反应动力学 过程的复杂性和多因素影响
早期研究：主要关注反应机 理和反应速度常数
未来展望：提高电极反应动力 学的理解和控制，优化燃料电
燃料电池的效率影响因素
反应动力学：反应速率和反应路径对燃料电池效率的影响 电极材料：电极材料的性质和结构对燃料电池效率的影响 燃料和氧化剂：燃料和氧化剂的浓度和纯度对燃料电池效率的影响 温度和压力：温度和压力对燃料电池效率的影响
第3章 FC原理2——燃料电池课件
各种电池反应的能斯特方程表达式
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各种电池反应的理想电势
温度，oC 电池类型 理想电压， V 1.18 25 80 PEFC 1.17 205 PAFC 1.14 650 MCFC 1.03 1100 SOFC 0.91
右图表示出温度 对高温电池理想 电势的影响
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低温氢氧燃料电池的极化曲线
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极化是电极由静止状态（ i=0 ）转入工作状 态（i >0）所产生的电池电压、电极电位的 变化。 由于电压与电流的乘积等于功率，再乘以 电池运行的时间即为输出电能，所以极化 表示电池由静止状态转入工作状态能量损 失的大小。因此，要减少极化来降低能量 损失。 极化可以分为3种：活化极化、浓差极化和 欧姆极化。
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二. 电极过程动力学
一)法拉第定律与电化学过程速度
当FC工作时 , 输出电能而对外做功， FC的燃料和氧化剂的消耗 量与输出电量之间的定量关系服从法拉第定律。 法拉第第一定律：燃料和氧化剂在FC内的消耗量m与电池输出 的电量Q成正比，即：
m ke Q ke I t
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燃料电池对外做电功，燃烧和爆炸对外则不做非体积功。
显然燃料电池对外做的功大于 简单的燃烧，而他对外的发 热要小于燃烧。
燃料电池直接将化学能转变为电能，而不需要像燃烧先转
换为热能。电能到其他形式的能的利用效率可以高达100%， 而热能的利用由于热机的局限，效率较低。
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燃料电池技术 第二章 燃料电池基础理论与研究方法(1)
15
真实燃料电池的效率要低于上述的极限效率， 主要是由于电压损失和燃料的利用率导致。 要使电压损失为0，电化学反应在完全可逆 的情况发生，需输出电流无穷小。实际是不可 能的。 电压效率=开路电压V/理论电动势E 燃料 利 用 率 ： 实 际使 用过程中，燃料 不 能 完全 转 化 为 电能，部 分 燃料 直 接 随废气 被 排除 燃料电池 系统，导致燃料利用率小于100%。
极化是电极由 静止状 态 （ i=0 ）转 入 工作 状 态 （ i >0） 所产生的电池电压、电极电 位 的变化。 由于电压与电 流的 乘 积等于功 率，再乘 以 电池运 行的 时间 即为 输出 电能，所 以极化表 示 电池由静止状 态转 入工作状 态能量损失的 大小。因此，要减少极化来降低能量损失。 极化可 以分为 3 种 ： 活 化极化、 浓 差 极化、 欧姆极化和燃料渗透及内部电流损失。
∆G = ∆U + ∆(PV) −T∆S = ∆H −T∆S
对氢氧燃料电池，外部工作包括沿外部电路移动电子。 Gibbs能量的 变化量等于体系在可逆 化量等于体系在 可逆条件 下能够对 外做的非体 积功， 积功 ，也即是最大非体积功， 是最大非体积功，对燃料电池来说，这种非体积功 就是电功。 是电功。
燃料电池技术 第2章 燃料电池基础理论与研究方法
30
因此 ， 降 低 电极的 Tafel斜 率 是 降 低 活化过电 位 的 重 要 途径。 目前 ， 降 低 电极 材 料的 Tafel斜 率 是电极 催 化所 面临 的重要课题。
燃料电池技术 第2章 燃料电池基础理论与研究方法
31
2. 浓差极化 迁移和纯化学转变均能导致电极反应区参 加电化学反应的反应物或产物浓度发生变化， 结果是电极电位改变，即产生浓差极化。 对流 迁移 分子扩散 电 迁移
能源科学中的燃料电池技术研究
能源科学中的燃料电池技术研究随着气候变化和环境污染问题的不断加剧，现代社会对新能源的需求日益增多。
而燃料电池作为具有高效、环保、可再生的能源，受到越来越多的关注和研究。
本文将详细介绍燃料电池技术的研究和应用。
一、燃料电池技术的基础原理燃料电池是一种将化学能转化为电能的设备，其基本原理是在一定的温度和压力下，将氢气和氧气反应产生水和电能。
其中，氢气和氧气在反应中几乎完全被利用，不产生任何有害物质，因此具有极高的效率和环保性。
燃料电池的工作过程可以分为四个步骤：氧气和氢气的分离、氢气的氧化反应、自由电子的转移和电子向外部的输出。
具体过程如下：1. 氢气和氧气在阳极和阴极上进行氧化还原反应，同时释放出电子。
2. 电子在外部电路中流动，形成电力。
3. 氢离子经过电解质电解分离后，穿过质子交换膜。
4. 在阴极处，氧气和氢离子结合形成水。
二、燃料电池的种类燃料电池可以根据不同燃料的种类进行分类。
主要有以下几种：1. 氢气燃料电池：使用氢气作为燃料，是目前应用最广的一种燃料电池。
它以高效、低污染等优点在汽车、家用电器等领域得到广泛应用。
2. 甲醇燃料电池：使用甲醇作为燃料，可以在无氧气的情况下工作。
目前已经得到应用于手持式设备等领域。
3. 乙醇燃料电池：使用乙醇作为燃料，也具有较高的效率和环保性。
4. 重质烃燃料电池：使用丁烯、丙烯等重质烃作为燃料，具有较高的压缩性和热值，但在使用过程中需要加热。
三、燃料电池技术的发展历程燃料电池技术的研究始于19世纪，但直到20世纪70年代才开始得到广泛关注。
随着燃料电池技术的不断发展，各种新型燃料电池被不断提出和应用。
1983年，首个低温燃料电池被发明，并在旅行车、电话亭等方面得到广泛应用。
1997年，日本成功生产出世界上第一辆燃料电池汽车。
随着制造工艺和材料技术的改进，燃料电池技术的成本也逐渐降低，应用领域也不断拓展。
目前，燃料电池技术已广泛应用于汽车、家用电器、航空航天等领域。
燃料电池 +基础理论动力学 + 热力学+研究方法
直接甲醇燃料电池（DMFC）：以直接 甲醇为燃料具有较高的能量效率和稳定 性但需要高温操作。
燃料电池系统组成
氧化剂供应系统：提供氧化 剂给燃料电池堆
燃料供应系统：提供燃料给 燃料电池堆
燃料电池堆：产生电能的核 心部件
实验设计：确定 实验目的、实验 对象、实验条件 等
实验操作：按照 实验设计进行实 验操作记录实验 数据
数据分析：对实 验数据进行处理 和分析得出实验 结果
实验报告：撰写实 验报告包括实验目 的、实验方法、实 验结果、讨论和结 论等
数值模拟研究方法
数值模拟：通 过计算机模拟 燃料电池的运
行过程
模型建立：建 立燃料电池的 数学模型包括 电化学模型、
燃料电池基础理论、动 力学、热力学及研究方 法
,
汇报人：
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01
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04
燃料电池热力 学
02
燃料电池基础 理论
05
燃料电池研究 方法
03
燃料电池动力 学
06
燃料电池应用 与发展趋势
01 添加章节标题
02 燃料电池基础理论
燃料电池工作原理
燃料电池是一种将化学能转化为电能的装置 工作原理：燃料（如氢气）和氧化剂（如氧气）在电池内部发生化学反应产生电能 燃料电池具有高能量密度、低排放、高效率等优点 燃料电池的应用领域包括汽车、发电、便携式电子设备等
料电池的性能和反应过程
06
燃料电池应用与发展趋 势
燃料电池在交通领域的应用
燃料电池汽车：使用氢燃料电池作为动力源具有零排放、高效能等优点 燃料电池公交车：已在多个城市投入运营具有环保、节能等优势 燃料电池船舶：正在研发中有望成为未来船舶动力的新选择 燃料电池飞机：正在研发中有望成为未来航空动力的新选择
武汉理工大学-燃料电池技术-复习要点
《燃料电池技术基础》课程复习要点课程教学内容燃料电池的综述电极热力学、动力学、发电效率与电催化（重点）质子交换膜燃料电池（PEMFC）（重点）直接甲醇燃料电池（DMFC）（重点）碱性燃料电池（AFC）磷酸燃料电池（PAFC）熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）固态氧化物燃料电池（SOFC）（重点）燃料电池的表征（重点）第1章燃料电池的综述燃料电池(Fuel Cell)的定义燃料电池与一般传统电池(battery) 的相同点与不同点燃料电池按照燃料的来源分类氢氧燃料电池的概念氢氧燃料电池基本结构燃料电池的种类燃料成分对燃料电池的影响各种燃料电池的电解质、催化剂、工作温度、性能特点构成燃料电池的基本元件燃料电池所采用的电解质隔膜的分类电极触媒层必须同时具备的四种通道电解质的功能电解质的分类及其特点为什么电解质载体所制作的多孔隔膜的孔径必须小于多孔电极的孔径？对燃料电池双极板材料有什么要求？双极板材料及其优缺点燃料电池组的组装方式、设计流程电池组密封的主要问题及其解决方法第2章电极热力学、动力学、发电效率与电催化为什么要研究电极热力学和动力学？电极热力学(electrode thermodynamics)的概念可逆燃料电池、可逆电极、可逆电极电位的概念自由能与理想电位的关系、理想电位与温度的关系、理想电位与压力的关系（活性度的概念、反应物质活性度大小的表现、Nernst方程式）燃料电池的电动势极化(polarization)、过电位(overpotential)三类极化、三类过电位、极化曲线图Tafel方程与Tafel图能量转换装置的效率燃料电池理想效率、电化学效率、燃料电池的实际效率、燃料电池系统效率及其相互关系电催化的概念电催化剂的作用原理：通过改变反应途径，使反应过程中的活化能降低评价燃料电池电催化剂(触媒)的三个主要技术指标：稳定性、电催化活性、电导率第3章质子交换膜燃料电池(PEMFC)基本结构:包括两块多孔气体扩散电极与固态高分子聚合物电解质膜PEMFC的工作原理、特点质子交换膜的电阻与膜内的水分含量、膜的厚度有关。
燃料电池 +基础理论动力学 + 热力学+研究方法
燃料电池基础理论动力学热力学研究方法燃料电池的基础理论燃料电池的定义燃料电池是一种将氢气、碳氢化合物等燃料与氧气相结合产生化学反应并直接转化为电能的装置。
燃料电池的工作原理燃料电池的工作原理是在阳极（负极）放置燃料，通过氧化还原反应将燃料氧化成正离子，同时在阴极（正极）放置氧气并还原成负离子，两个不同极性的离子在电解质中作用，形成电动势，经由外部电路输出电能，同时从阳极到阴极循环进行化学反应，产生水和热。
燃料电池的种类燃料电池的种类包括：氢氧化物燃料电池、直接甲醇燃料电池、磷酸燃料电池、碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池等。
燃料电池的优缺点燃料电池相比传统的能量转换方式，具有以下特点：•高效率：燃料电池的效率高达80%以上，远高于传统内燃机的效率。
•环保节能：燃料电池使用的燃料可以是清洁的氢气，而且在使用过程中几乎不会产生污染物，是一种非常环保的能源。
•安全性高：燃料电池生产的能量低，且没有任何爆炸的可能性，有很高的安全性。
然而，燃料电池的成本仍然很高，且用于移动设备时燃料的储存和携带问题尚未得到彻底解决。
燃料电池的动力学理论燃料电池的电化学动力学燃料电池的电化学动力学研究的是燃料电池中包含的电荷在反应的过程中如何运动。
其中，电池的工作状态可以通过高斯定律、欧姆定律、基尔霍夫法则、静电势场等方法进行分析。
燃料电池的热力学燃料电池的热力学建立在热力学基本定律、熵的概念和能量平衡定律等数学理论的基础上，研究燃料电池内部热力学过程，分析燃料电池能量转化过程中的各项参数。
燃料电池的研究方法电化学方法电化学方法用于测定燃料电池中的电荷转移和电化学反应参数。
它包括交流阻抗技术和循环伏安法等。
传递函数方法传递函数方法是燃料电池模型和控制问题中的一种基本方法，它通过线性时不变的方程表达出小扰动的响应情况，被广泛应用于燃料电池系统的建模和控制中。
热力学方法热力学方法主要研究燃料电池中的能量转移和转化过程中的各项参数，包括燃料电池的热力学状态方程和热力学分析等。
燃料电池 +基础理论动力学 + 热力学+研究方法
t n
)n
qw
第二类边界条件相当于已知任何时刻物体边界 面法向的温度梯度值
稳态导热： qw const 非稳态导热： qw f ( )
特例：绝热边界面：
qw
t n
w
0
t n
w
0
2019/12/27
10
（3）第三类边界条件 当物体壁面与流体相接触进行对流换热时，已知
dQx qx dydz d
[J]
2019/12/27
8
４、边界条件
说明导热体边界上过程进行的特点 反映过程与周围环境相互作用的条件
边界条件一般可分为三类：（Boundary conditions） 第一类、第二类、第三类边界条件
（１）第一类边界条件
已知任一瞬间导热体边界上温度值： t s tw
s — 边界面; tw = f (x,y,z) — 边界面上的温度 稳态导热： tw = const
非稳态导热： tw = f ()2019/12/27 Nhomakorabea9
（2）第二类边界条件 已知物体边界上热流密度的分布及变化规律：
q s
qw
f (r, )
qw
根据傅里叶定律：
qw
(
t n
)
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燃料电池热力学
2019/12/27
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热量传递的三种基本方式
热量传递的三种基本方式：导热(热传导)、对流(热对流) 和热辐射。
1 导热（热传导）(Conduction)
(1)定义：指温度不同的物体各部分或温度不同的两物体
热力学分析方法对燃料电池效率的优化研究
热力学分析方法对燃料电池效率的优化研究燃料电池作为一种清洁能源技术，具有高效、低排放的特点，被广泛应用于交通运输、能源供应等领域。
然而，燃料电池的效率问题一直是制约其应用的关键因素之一。
为了提高燃料电池的效率，热力学分析方法被广泛应用于燃料电池系统的优化研究。
热力学分析方法是一种基于热力学原理的分析手段，通过对燃料电池系统中能量转化和传递过程的研究，揭示了其中的能量损失机制，并提出相应的优化策略。
首先，热力学分析方法可以用于燃料电池系统的能量损失分析。
燃料电池系统中的能量损失主要包括燃料电池本身的极化损失、燃料供应和氧化剂供应系统的压降损失、燃料和氧化剂的扩散损失等。
通过热力学分析方法，可以对这些能量损失进行定量分析，找出主要的能量损失来源，并针对性地进行优化。
其次，热力学分析方法可以用于燃料电池系统的热管理优化。
燃料电池在工作过程中会产生大量的热量，如果不能及时有效地进行热管理，会导致燃料电池的效率下降甚至失效。
通过热力学分析方法，可以对燃料电池系统中的热量转移和散热过程进行研究，找出热量传递的瓶颈，并提出相应的优化措施，如增加散热面积、改善热传导材料等，以提高燃料电池的热管理效果。
此外，热力学分析方法还可以用于燃料电池系统的熵产分析。
熵产是热力学中描述系统不可逆性的重要参数，它反映了能量转化和传递过程中的损失情况。
通过熵产分析，可以定量评估燃料电池系统的不可逆损失，并找出主要的不可逆损失来源。
在此基础上，可以采取相应的措施，如改进材料、优化系统结构等，以减小熵产损失，提高燃料电池的效率。
在热力学分析方法的基础上，还可以结合其他技术手段进行燃料电池系统的优化研究。
例如，通过数值模拟方法，可以对燃料电池系统进行仿真分析，得到系统的热、电、质传输过程的详细信息，为优化设计提供依据。
同时，结合实验测试，可以验证热力学分析方法的可靠性和准确性，并对优化策略进行验证。
总之，热力学分析方法在燃料电池效率优化研究中起着重要的作用。
《燃料电池基础》课程教学大纲
燃料电池基础课程教学大纲课程名称：燃料电池基础英文名称：FuelCellFundamentals课程编码：x4031721学时数：32其中实践学时数：2 课外学时数：0学分数：2.0适用专业：能源化学工程一、课程简介《燃料电池基础》是能源化学工程专业选修课。
本课程主要介绍燃料电池的基本工作原理、分类、特征及应用前景。
使学生通过该课程的学习开阔视野、扩大知识面。
课程设置的目的是帮助学生们拓展有关可再生能源的基本理论、基本知识和未来应用的视野，尤其了解燃料电池这一可再生能源转换技术的基本原理和未来应用，使学生获得较宽广的能源科学技术知识，深化理解二十一世纪环境保护、节能减排和开发新能源对人类生存的重要意义。
二、课程目标与毕业要求关系表三、课程教学内容、基本要求、重点和难点（一）可再生能源概述1、教学内容：可再生能源的基本概念和分类、利用现状、工作原理、未来应用趋势。
2、基本要求：了解能源的概念，能源的分类，人类利用传统能能源的历史和可再生能源的利用现状，各类可再生能源的基本概念、工作原理和未来应用趋势。
3、重点：能源的概念，能源的分类，国际可再生能源的应用、发展模式和趋势，我国可再生能源的现状和趋势。
4、难点：各类可再生能源的工作原理。
（二）燃料电池概述1、教学内容：燃料电池的概述和分类，电池工作原理和应用。
2、基本要求：掌握燃料电池工作原理，了解其分类和应用。
3、重点：燃料电池工作原理和应用。
4、难点：燃料电池工作原理。
（三）质子交换膜燃料电池1、教学内容：质子交换膜燃料电池的工作原理、特点和用途，电池的结构组成，关键材料及其制备工艺，性能影响因素，应用和未来。
2、基本要求：掌握质子交换膜燃料电池的工作原理、特点和用途，电池的结构组成，了解电池的关键材料和部件及其制备工艺，电池性能影响因素，质子交换膜燃料电池系统及应用和未来发展前景。
3、重点：质子交换膜燃料电池的工作原理、特点和用途，电池的结构组成，电池性能影响因素，质子交换膜燃料电池系统及应用和未来发展前景。
燃料电池技术研究与应用
燃料电池技术研究与应用第一章燃料电池基础知识燃料电池是一种将化学能直接转换为电能的装置，其基本原理是在电池中通过氢气与氧气的反应生成电能。
燃料电池分为许多种类，如质子交换膜燃料电池、固体氧化物燃料电池，其中质子交换膜燃料电池应用最为广泛。
1.1 燃料电池工作原理燃料电池工作原理基于氢气氧气反应产生的电流，可概括为：H2 + 1/2O2 → H2O + electric current可见，燃料电池的产物是水和电能。
电池中主要元件是阳极、阴极和电解质。
典型的质子交换膜燃料电池中，阳极使用极材料，如铂或其合金，阴极使用氧气，电解质是一个质子交换膜。
质子交换膜的作用是将阳极和阴极隔离，并保证正负离子等量，防止电化学反应失控。
1.2 燃料电池分类燃料电池可根据其产生电流的方式进行分类，主要分为以下几类：（1）碱性燃料电池（AFC）碱性燃料电池采用氨水为电解质，阴极和阳极为铂或铂合金电极。
碱性燃料电池可以产生高电流，但对结构稳定性要求较高。
（2）聚合物电解质质子交换膜燃料电池（PEMFC）聚合物电解质质子交换膜燃料电池使用聚合物膜作为电解质。
阴极和阳极采用铂或其合金电极。
PEMFC具有高效率、稳定性好等特点，因而应用最广泛。
（3）直接甲醇燃料电池（DMFC）直接甲醇燃料电池将甲醇转化为电能，其产物是水和二氧化碳。
DMFC具有高效率、稳定性好等特点，但目前成本较高，限制了其应用。
第二章燃料电池技术研究现状燃料电池技术在现代化工业生产中得到广泛应用，其特点是高效、环保、低噪音，低排放等，因而受到越来越多的关注。
本章节中，我们将介绍燃料电池技术的研究现状。
2.1 燃料电池在交通工具领域的应用燃料电池在交通工具领域的应用是一个热门话题。
目前，燃料电池汽车和公交车已成为市场上的主流产品。
燃料电池汽车必须具有高效、低噪音以及长行驶里程等特点。
同时，燃料电池汽车的研发还要考虑价格和维护成本等因素。
在公交车领域，燃料电池技术已经被广泛应用。
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热基本定律，是一个一维稳态
dt 0
Q
x
导热。其中：
图1-2 一维稳态平板内导热
：热流量，单位时间传递的热量[W]；q：热流密度，单
位时间通过单位面积传递的热量；A：垂直于导热方向的
截面积[m2]；：导热系数（热导率）[W/( m K)]。
全面分析
3
2 对流（热对流）(Convection)
(1)定义：流体中（气体或液体）温度不同的各部分之 间，由于发生相对的宏观运动而把热量由一处 传递到另一处的现象。
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(4) 对流换热的基本计算公式——牛顿冷却公式
Φ hA(tw t ) W
q Φ A
h(tw t f ) W m2
Convection heat transfer
— 热流量[W]，单位时间传递的热量
coefficient
q — 热流密度 W m2 h — 表面传热系数 W (m2 K)
qw
根据傅里叶定律：
qw
(
t n
)
n
(
t n
)n
qw
第二类边界条件相当于已知任何时刻物体边界 面法向的温度梯度值
稳态导热： qw const 非稳态导热： qw f ( )
特例：绝热边界面：
qw
t n
w
0
t n
w
0
全面分析
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（3）第三类边界条件 当物体壁面与流体相接触进行对流换热时，已知
dS=dQ/T全→面分析dQ=T·dS
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熵（entropy）
(3)导热的特点：a 必须有温差；b 物体直接接触；c
依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而传递
热量；d 在引力场下单纯的导热只发生在密实固体
中。
全面分析
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(4)导热的基本定律：
1822年，法国数学家Fourier: t
dx
Φ A dt W
dx
q Φ dt
A
dx
W m 2
上式称为Fourier定律，号称导
任一时刻边界面周围流体的温度和表面传热系数
tf, h
牛顿冷却定律： qw h(tw t f )
傅里叶定律： qw t nw
qw
t
n w
h(tw t f )
导热微分方程式的求解方法
积分法、杜哈美尔法、格林函数法、拉普拉斯 变换法 、分离变量法、积分变换法、数值计算法
导热微分方程＋单值性条件＋求解方法 温度场
热力学第一定律 ：也叫能量不灭原理，就 是能量守恒定律。 dU = dQ-dW 对于机械功：dW =pdV 所以：
dU = dQ- pdV
全面分析
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熵（entropy）
物理学上指热能除以温度所得的商，标志 热量转化为功的程度。科学技术上用来描 述、表征体系混乱度的函数。
热力学中工质的热力状态参数之一。在可 逆微变化过程中，熵的变化等于系统从热 源吸收的热量与热源的热力学温度之比， 可用于度量热量转变为功的程度。
（１）第一类边界条件
已知任一瞬间导热体边界上温度值： t s tw
s — 边界面; tw = f (x,y,z) — 边界面上的温度 稳态导热： tw = const
非稳态导热： tw = f ()
全面分析
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（2）第二类边界条件 已知物体边界上热流密度的分布及变化规律：
q s
qw
f (r, )
式的转变；d 具有强烈的方向性；e 辐射能与温度和波长均
有关；f 发射辐射取决于温度的4次方。 (3) 生活中的例子：
a 当你靠近火的时候，会感到面向火的一面比背面热；
b 冬天的夜晚，呆在有窗帘的屋子内会感到比没有窗帘时
要舒服；
c 太阳能传递到地面
d 冬天，蔬菜大棚内的空气温度在0℃以上，但地面却可能
(2) 对流换热：当流体流过一个物体表面时的热量传递 过程，他与单纯的对流不同，具有如下特点：
a 导热与热对流同时存在的复杂热传递过程 b 必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动；也
必须有温差 c 壁面处会形成速度梯度很大的边界层 (3)对流换热的分类
无相变：强迫对流和自然对流
有相变：沸腾换热和全面凝分析结换热
A — 与流体接触的壁面面积 m2
tw — 固体壁表面温度 C
t全面—分析流体温度 C
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3 热辐射(Thermal radiation)
(1) 定义：有热运动产生的，以电磁波形式传递能量的现象 (2) 特点：a 任何物体，只要温度高于0 K，就会不停地向
周围空间发出热辐射；b 可以在真空中传播；c 伴随能量形
结冰。
全面分析
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传热过程和传热系数
1 传热过程的定义：两流体间通过固体壁面进行的换热 2 传热过程包含的传热方式： 导热、对流、热辐射
辐射换热、 对流换热、 热传导
图1－8 墙壁的散热
全面分析
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在导热体中取一微元体
热力学第一定律：
Q U W W 0, Q U
d 时间内微元体中：
[导入与导出净热量] + [内热源发热量] = [热力学能的增加]
燃料电池热力学
全面分析
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热量传递的三种基本方式
热量传递的三种基本方式：导热(热传导)、对流(热对流) 和热辐射。
1 导热（热传导）(Co同的物体各部分或温度不同的两物体
间直接接触时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒
子热运动而进行的热量传递现象 (2)物质的属性：可以在固体、液体、气体中发生
1、导入与导出微元体的净热量
d 时间内、沿 x 轴方向、经 x 表面导入的热量：
dQx qx dydz d
[J]
全面分析
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４、边界条件
说明导热体边界上过程进行的特点 反映过程与周围环境相互作用的条件
边界条件一般可分为三类：（Boundary conditions） 第一类、第二类、第三类边界条件
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内能（U）
广义地说，内能是由系统内部状况决定的 能量。热力学系统由大量分子、原子组成，储存 在系统内部的能量是全部微观粒子各种能量的总 和，即微观粒子的动能、势能、化学能、电离能、 核能等等的总和 。
由于在系统经历的热力学过程中，物质的 分子、原子、原子核的结构一般都不发生变化， 即分子的内部能量保持不变。
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内能（U）
系统的内能通常是指全部分子的动能 以及分子间相互作用势能之和，前者包括 分子平动、转动、振动的动能，后者是所 有可能的分子对之间相互作用势能的总和。
内能是态函数。真实气体的内能是温 度和体积的函数。理想气体的分子间无相 互作用，其内能只是温度的函数。
全面分析
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热力学第一定律