燃料电池课件
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燃料电池简介PPT课件
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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）
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1.2燃料电池的分类
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1.4燃料电池的优点
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
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4.燃料电池的应用
2017年10月12日，陆地方舟新型氢电混合燃料电池客 车在第十二届深圳国际物流与交通运输博览会(简称 “物博会”)上正式发布，新车为8.3米考斯特车型， 加氢5分钟，充电12分钟，续航可达550km，该车也 是我国发布的首台8米考斯特车型氢燃料电池客车。
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垂直起降长续航燃料电池监测无人机亮相2017智慧 城市峰会。
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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。
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活化能垒
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Bu活化过电势的变化。
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Butler-Volmer方程函数曲线
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
16 公斤（35 磅）重的 UATC（包含了 6 公斤有效载 荷）可通过燃料电池动力系统实现 6 小时飞行，其 而没有毒气的排放。
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谢谢
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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
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如何改善动力学性能
燃料电池原理及应用ppt课件
❖ 为了尽可能地减少损失、提高效率，火力发电站不得不达到 一定大的规模。核能发电，除了利用核分裂产生热能外，其 他的与火力发电基本相同。
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20
❖ 而燃料电池则是通过氢和氧的化学反应直接得到电 流，没有中间步骤。由化学能转变为电能(加上热能) 的步骤非常简单，所以能量损失较少。这就是利用 燃料电池发电比火力发电效率更高的原因，并且还 具有即使规模小效率也较高的优点。
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3
本讲主要内容
❖ 本讲内容从燃料电池被关注的原因到其原理 和组成，以及应用领域等方面均作了简要介 绍，并且涉及到目前的开发情况等。可以作 为在更深入地学习燃料电池之前的基础知识 掌握。
❖ 希望燃料电池能被更多关心环境问题的人们 所了解。
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4
一、燃料电池的优势
❖ 燃料电池是现在最引人注目的能源装置之一，其原 理非常简单，它通过氢与氧的化学反应产生电能和 热能。因为是通过化学反应而产生电能，所以称为 “电池”，实际上是一种发电装置。
❖ 燃料电池的另一优点是，因其规模小而更容易利用 发电时排出的热量，组成发电及余热利用系统。由 于排出的热量能够有效地用于空调和水的加热等， 所以，进一步提高了能源的综合利用效率。
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21
完整版PPT课件
22
完整版PPT课件
23
解决环境问题的有效手段
❖ 21世纪面临的最大问题之一就是环境被破 坏．
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6
高效率、分散型的发电装置
❖ 通过高压线路长距离地把从遥远的大型发电 站发出的电能输送到用户，电能损失和成本 都较高，是一种低效率的方法。
❖ 然而，燃料电池不论规模大小，都可以设置 在需要电的工厂或住宅附近，因而可以提高 综合效率。
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20
❖ 而燃料电池则是通过氢和氧的化学反应直接得到电 流，没有中间步骤。由化学能转变为电能(加上热能) 的步骤非常简单，所以能量损失较少。这就是利用 燃料电池发电比火力发电效率更高的原因，并且还 具有即使规模小效率也较高的优点。
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3
本讲主要内容
❖ 本讲内容从燃料电池被关注的原因到其原理 和组成，以及应用领域等方面均作了简要介 绍，并且涉及到目前的开发情况等。可以作 为在更深入地学习燃料电池之前的基础知识 掌握。
❖ 希望燃料电池能被更多关心环境问题的人们 所了解。
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一、燃料电池的优势
❖ 燃料电池是现在最引人注目的能源装置之一，其原 理非常简单，它通过氢与氧的化学反应产生电能和 热能。因为是通过化学反应而产生电能，所以称为 “电池”，实际上是一种发电装置。
❖ 燃料电池的另一优点是，因其规模小而更容易利用 发电时排出的热量，组成发电及余热利用系统。由 于排出的热量能够有效地用于空调和水的加热等， 所以，进一步提高了能源的综合利用效率。
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22
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23
解决环境问题的有效手段
❖ 21世纪面临的最大问题之一就是环境被破 坏．
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6
高效率、分散型的发电装置
❖ 通过高压线路长距离地把从遥远的大型发电 站发出的电能输送到用户，电能损失和成本 都较高，是一种低效率的方法。
❖ 然而，燃料电池不论规模大小，都可以设置 在需要电的工厂或住宅附近，因而可以提高 综合效率。
燃料电池 课件
(1)乙烯(C2H4) 负极: ; (2)乙烷(C2H6) 负极: ; (3)丙烷(C3H8) 负极: ; (4)丁烷(C4H10) 负极: ; (5)甲醇(CH3OH) 负极: ; (6)乙醇(C2H5OH) 负极: 。
答案:(1)C2H4+16OH--12e- 2CO32-+10H2O (2)C2H6+18OH--14e- 2CO32-+12H2O (3)C3H8+26OH--20e- 3CO32-+17H2O (4)C4H10+34OH--26e- 4CO32-+22H2O (5)CH3OH+8OH--6e- CO32-+6H2O (6)C2H5OH+16OH--12e- 2CO32-+11H2O
燃料电池
预习导引
1.燃料电池:燃料电池是使燃料与氧化剂反应直接产生电流的 一种原电池,所以燃料电池也是化学电源。它与其他电池不同,它不 是把还原剂、氧化剂全部贮存在电池内,而是在工作时,不断地从外 界输入,同时把电极反应产物不断排出电池。因此,燃料电池是名符 其实地把化学能直接转化为电能的“能量转换器”。燃料电池的正极 和负极都用多孔炭和多孔镍、铂、铁等制成。从负极连续通入氢气、 煤气、水煤气、甲烷等气体;从正极连续通入氧气或空气。电解液可 以用碱(如氢氧化钠或氢氧化钾等)把两个电极隔开。燃料电池中的 最终产物和燃烧时的产物相同。
Hale Waihona Puke (4)一般燃料电池的负极反应都是采用间接方法书写,即按上述 要求先正确写出燃料电池的总反应和正极反应,然后在电子守恒的 基础上用总反应减去正极反应即得负极反应。
2.有机物燃料电池
活动与探究 2
将铂丝插入 KOH 溶液作电极,然后向两个电极上分别通入甲烷
答案:(1)C2H4+16OH--12e- 2CO32-+10H2O (2)C2H6+18OH--14e- 2CO32-+12H2O (3)C3H8+26OH--20e- 3CO32-+17H2O (4)C4H10+34OH--26e- 4CO32-+22H2O (5)CH3OH+8OH--6e- CO32-+6H2O (6)C2H5OH+16OH--12e- 2CO32-+11H2O
燃料电池
预习导引
1.燃料电池:燃料电池是使燃料与氧化剂反应直接产生电流的 一种原电池,所以燃料电池也是化学电源。它与其他电池不同,它不 是把还原剂、氧化剂全部贮存在电池内,而是在工作时,不断地从外 界输入,同时把电极反应产物不断排出电池。因此,燃料电池是名符 其实地把化学能直接转化为电能的“能量转换器”。燃料电池的正极 和负极都用多孔炭和多孔镍、铂、铁等制成。从负极连续通入氢气、 煤气、水煤气、甲烷等气体;从正极连续通入氧气或空气。电解液可 以用碱(如氢氧化钠或氢氧化钾等)把两个电极隔开。燃料电池中的 最终产物和燃烧时的产物相同。
Hale Waihona Puke (4)一般燃料电池的负极反应都是采用间接方法书写,即按上述 要求先正确写出燃料电池的总反应和正极反应,然后在电子守恒的 基础上用总反应减去正极反应即得负极反应。
2.有机物燃料电池
活动与探究 2
将铂丝插入 KOH 溶液作电极,然后向两个电极上分别通入甲烷
燃料电池-课件
15
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．
34
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
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。
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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。
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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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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。
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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
《燃料电池》课件
《燃料电池》PPT课件
这是《燃料电池》PPT课件，通过本课件，你将了解燃料电池的定义、工作原 理、构成、应用以及未来发展和趋势。让我们一起探索这个令人兴奋的领域 吧！
什么是燃料电池
燃料电池的定义
燃料电池是一种将化学能直接 转化为电能的装置，通过电化 学反应实现电能的产生。
燃料电池的工作原理
燃料电池通过氧化还原反应将 燃料（如氢气）和氧气在电解 质中进行电化学反应，产生电 能。
燃料电池的优缺点
燃料电池具有高效能源转化、环 保、低噪音等优点，但成本和氢 气供应等问题仍需解决。
燃料电池的应用
1
燃料电池在交通运输领域的应用
燃料电池汽车逐渐成为替代传统燃油汽车的绿色交通选择，减少尾气排放。
2
燃料电池在能源领域的应用
燃料电池可以作为一种清洁的能源来源，在无电网的地区提供电力供应。
3
燃料电池在军事领域的应用
燃料电池系统可以为军事设备提供可靠的能源支持，降低依赖传统燃油的风险。
燃料电池的未来发展与趋势
燃料电池技术的发展历程
燃料电池技术经过多年的研发和改 进，取得了巨大继续朝着高效、便携、 可再生能源和可持续发展的方向发 展。
燃料电池未来的应用前景
燃料电池有望在交通运输、能源供 应等领域发挥更大的作用，推动可 持续发展。
感谢阅读
通过本《燃料电池》PPT课件，希望您对燃料电池有了更深入的了解。谢谢！
燃料电池种类介绍
常见的燃料电池类型有聚合物 电解质燃料电池（PEMFC）、 固体氧化物燃料电池（SOFC） 等。
燃料电池的构成
燃料电池的主要组成 部分
燃料电池由氢气供应系统、氧气 供应系统、电解质、电极和电流 收集系统等组成。
这是《燃料电池》PPT课件，通过本课件，你将了解燃料电池的定义、工作原 理、构成、应用以及未来发展和趋势。让我们一起探索这个令人兴奋的领域 吧！
什么是燃料电池
燃料电池的定义
燃料电池是一种将化学能直接 转化为电能的装置，通过电化 学反应实现电能的产生。
燃料电池的工作原理
燃料电池通过氧化还原反应将 燃料（如氢气）和氧气在电解 质中进行电化学反应，产生电 能。
燃料电池的优缺点
燃料电池具有高效能源转化、环 保、低噪音等优点，但成本和氢 气供应等问题仍需解决。
燃料电池的应用
1
燃料电池在交通运输领域的应用
燃料电池汽车逐渐成为替代传统燃油汽车的绿色交通选择，减少尾气排放。
2
燃料电池在能源领域的应用
燃料电池可以作为一种清洁的能源来源，在无电网的地区提供电力供应。
3
燃料电池在军事领域的应用
燃料电池系统可以为军事设备提供可靠的能源支持，降低依赖传统燃油的风险。
燃料电池的未来发展与趋势
燃料电池技术的发展历程
燃料电池技术经过多年的研发和改 进，取得了巨大继续朝着高效、便携、 可再生能源和可持续发展的方向发 展。
燃料电池未来的应用前景
燃料电池有望在交通运输、能源供 应等领域发挥更大的作用，推动可 持续发展。
感谢阅读
通过本《燃料电池》PPT课件，希望您对燃料电池有了更深入的了解。谢谢！
燃料电池种类介绍
常见的燃料电池类型有聚合物 电解质燃料电池（PEMFC）、 固体氧化物燃料电池（SOFC） 等。
燃料电池的构成
燃料电池的主要组成 部分
燃料电池由氢气供应系统、氧气 供应系统、电解质、电极和电流 收集系统等组成。
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PPT课件
燃料电池的发展现状
PEM：质子交换膜燃料电池； SOFC：固体氧化物燃料电池； AFC：碱性燃料电池；
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
• 燃料电池是一个电化学系统，由三个主要
部分组成
• 燃料电池的工作原理 • 燃料电池能量转化 • 燃料电池的类型
纪秀磊，话说能源[J].说说燃料电池,2011(11).
PEMFC能用于商业化汽车
• 能源储备、过度开采，环境问题将得到缓解。 • 燃料电池技术因具备低污染、高能源转换效率的
特性，更能满足人类高效、环保的需求。 • 具有更高的能源密度。紧急备用发电机、住宅用
热电共生系统、UPS、分布式发电系统、军事国防、 太空与运输工具领域、机器人、笔记型计算机、 PDA、手机等便携电子产品、便携电源、搬运工具、 电动辅助/代步车等
跟不合理操作条件。
氢燃料的制备、储存及运输等使 FCV难以实现产业化。
结语
• 油价飙升、电价太贵，燃料电池成为未来 家庭能源供应相对便宜的选择，也是目前 最令人满意的解决方案。在固定电站、电 动车、军用特种电源、可移动电源等方面 都有广阔的应用前景。
• 高效、洁净的燃料电池必将在未来的高效、 清洁发电技术中占有一席之地。但是，资 金、技术、观念、基础设施上还有许多需 要克服的困难。
制约PEMFC商业化的主要因素
• 成本高 • 寿命短 • 燃料问题
轿车用燃料电池发动机 要求燃料电池堆具有 3000~5000h的运行寿 命。
公共汽车燃料电池发动 机要求燃料电池堆具有 20000h以上的运行寿 命
电极
载铂量过高（目前 国际研究最新进展，
电极铂载量： 0.02mg/cm2）
PEM：质子交换膜燃料电池； SOFC：固体氧化物燃料电池； AFC：碱性燃料电池；
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
• 燃料电池是一个电化学系统，由三个主要
部分组成
• 燃料电池的工作原理 • 燃料电池能量转化 • 燃料电池的类型
纪秀磊，话说能源[J].说说燃料电池,2011(11).
PEMFC能用于商业化汽车
• 能源储备、过度开采，环境问题将得到缓解。 • 燃料电池技术因具备低污染、高能源转换效率的
特性，更能满足人类高效、环保的需求。 • 具有更高的能源密度。紧急备用发电机、住宅用
热电共生系统、UPS、分布式发电系统、军事国防、 太空与运输工具领域、机器人、笔记型计算机、 PDA、手机等便携电子产品、便携电源、搬运工具、 电动辅助/代步车等
跟不合理操作条件。
氢燃料的制备、储存及运输等使 FCV难以实现产业化。
结语
• 油价飙升、电价太贵，燃料电池成为未来 家庭能源供应相对便宜的选择，也是目前 最令人满意的解决方案。在固定电站、电 动车、军用特种电源、可移动电源等方面 都有广阔的应用前景。
• 高效、洁净的燃料电池必将在未来的高效、 清洁发电技术中占有一席之地。但是，资 金、技术、观念、基础设施上还有许多需 要克服的困难。
制约PEMFC商业化的主要因素
• 成本高 • 寿命短 • 燃料问题
轿车用燃料电池发动机 要求燃料电池堆具有 3000~5000h的运行寿 命。
公共汽车燃料电池发动 机要求燃料电池堆具有 20000h以上的运行寿 命
电极
载铂量过高（目前 国际研究最新进展，
电极铂载量： 0.02mg/cm2）
燃料电池的应用PPT课件
产成本最低的一种电池，因此可用于小型的固定发电装置。 两电极的反应和总反应分别为：
阳极反应：2H2+4OH- →4H2O+4e阴极反应：O2+2H2O+4e- →4OH-
总反应： 2H2+O2=2H2O
2.3 磷酸燃料电池(PAFC)
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％。最初开发磷酸燃料电池是 为了控制发电厂的峰谷用电平衡，近来则侧重于作为向公寓、购物中心、医院 、宾馆等地方提供电和热的现场集中电力系统。
( 3 )要能抵受高温碱性溶液的高度侵蚀环境，燃料电池的外壳必须采用特别 材料。材料技术的进展缓慢，并未能找到适当的材料。
(4) 氢气十分易燃和易爆，因此必须小心处理。在燃料电池的商业应用中， 如何安全配送氢气燃料成为一个主要障碍。兴建氢气配送系统的成本十分高。
(5)氢燃料基础建设不足, 氢气在工业界虽已使用多年且具经济规模，但全 世界充氢站仅约70站 ，仍值示范推广阶。此外，加气时间长，约需时5分钟, 尚跟不上工商时代的步伐。
两电极的反应和总反应分别为：
阳极(负极)：2H2-4e→4H+ 阴极(正极)：O2+4e+4H+→2H2O 总反应： 2H2+O2=2H2O
图2-1 PEMFC装置图
图2-2 PEMFC工作原理图
直接甲醇燃料电池（DMFC）
属于质子交换膜燃料电池(PEMFC)中之一类，系直接使用液态甲醇为燃料
供给来源，而不需透过重组器重组甲醇、汽油及天然气等再取出氢以供发电。
阴极：
O 22C2O 4e 2C3O
阳极：
2 H 2 2 C 3 O 2 C 2 O 2 H 2 O 4 e
阳极反应：2H2+4OH- →4H2O+4e阴极反应：O2+2H2O+4e- →4OH-
总反应： 2H2+O2=2H2O
2.3 磷酸燃料电池(PAFC)
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％。最初开发磷酸燃料电池是 为了控制发电厂的峰谷用电平衡，近来则侧重于作为向公寓、购物中心、医院 、宾馆等地方提供电和热的现场集中电力系统。
( 3 )要能抵受高温碱性溶液的高度侵蚀环境，燃料电池的外壳必须采用特别 材料。材料技术的进展缓慢，并未能找到适当的材料。
(4) 氢气十分易燃和易爆，因此必须小心处理。在燃料电池的商业应用中， 如何安全配送氢气燃料成为一个主要障碍。兴建氢气配送系统的成本十分高。
(5)氢燃料基础建设不足, 氢气在工业界虽已使用多年且具经济规模，但全 世界充氢站仅约70站 ，仍值示范推广阶。此外，加气时间长，约需时5分钟, 尚跟不上工商时代的步伐。
两电极的反应和总反应分别为：
阳极(负极)：2H2-4e→4H+ 阴极(正极)：O2+4e+4H+→2H2O 总反应： 2H2+O2=2H2O
图2-1 PEMFC装置图
图2-2 PEMFC工作原理图
直接甲醇燃料电池（DMFC）
属于质子交换膜燃料电池(PEMFC)中之一类，系直接使用液态甲醇为燃料
供给来源，而不需透过重组器重组甲醇、汽油及天然气等再取出氢以供发电。
阴极：
O 22C2O 4e 2C3O
阳极：
2 H 2 2 C 3 O 2 C 2 O 2 H 2 O 4 e
燃料电池(课件)
得失电子数目的求算
燃料分子失电子的数目，可根据整体化合价变化情况 进行求算，也可以直接根据分子所含的原子数目进行 计算。1mol的CxHyOz失去电子的数目为4x+y－ 2z(碳四氢一氧减二)。我们可以计算，每个C₃H₈失电 子数为4×3+1×8＝20，每个C₂H₅OH分子失电子数 为4×2+1×6－2＝12。
电解质为固体电解质 （如固体氧化锆—氧 化钇）O2＋4e-=2O2-。
燃料电池负极反应式的书写
产物判断规则
一般来说，负极反应物一般为燃料，常常含有碳元素和 氢元素，有时也含有氧元素。在酸性溶液(如硫酸溶液) 下，负极燃料失电子，C元素变为+4价，转化为CO₂； H元素转化为H⁺，氧元素结合H⁺转化为水。在碱性溶 液(如氢氧化钠溶液)下，负极燃料失电子，C元素转化 为碳酸根离子，+1价的氢元素不能在碱性条件下以离 子形态稳定存在，结合OHˉ生成水，氧元素变成氢氧根 离子或者水。
谢谢
燃料电池
基础知识
燃料电池（Fuel cell），是一种不经过燃烧，将燃料化学能经过电化学反 应直接转变为电能的装置。它和其它电池中的氧化还原反应一样，都是自 发的化学反应，不会发出火焰，其化学能可以直接转化为电能，且废物排 放量很低。其中燃料电池电化学反应的最终产物与燃料燃烧的产物相同
基础知识
燃料电池的两极材料都是用多孔碳、多孔镍、铂、钯等兼有催化剂特性 的惰性金属，两电极的材料相同。 燃料电池的电极是由通入气体的成分来决定。通入可燃物的一极为负极 ，可燃物在该电极上发生氧化反应；通入空气或氧气的一极为正极，氧 气在该电极上发生还原反应。
量为1mol，在标准状况下为22.4L，D错误；【答案】C
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
燃料电池全面总结PPT课件
练习1分别写出甲烷在酸性电解质溶液碱性电解质溶液熔融固体氧化物熔融碳酸盐四种条件下的总反应和电极反应
一 定义：燃料电池是一种不经过燃烧，将 燃
料化学能经过电化学反应直接转变为电 能优点：高效、环保。
注的：装置。
（1）两电极材料可以相同，只起导电的作用。 （2）反应物不是储存在电池内部，而由外设装
备提供燃料和氧化剂。
• 正极2反C应H：3OH – 12e- + 16OH-＝ 2CO32- +12H2O
• 总反应离子方程式：
3O2 + 12e- + 6H2O ＝ 12OH-
2CH3OH + 3O2 + 4OH -＝ 2CO3 2-+ 6H2O
注：碱性条件下CO2和OH-反应最终生成CO32思考：乙醇燃料电池在碱性条件下的负极反应？
其余环境都生成CO2。
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练习1 分别写出甲烷在酸性电解质溶液、碱性电解 质溶液、熔融固体氧化物、熔融碳酸盐四种条件下 的总反应和电极反应。 (1)酸性电解质
负极： CH4 - 8e- + 2H2O = 8H+ + CO2 正极： 2O2 + 8e- + 8H+ = 4H2O 总反应： CH4 + 2O2 =CO2 + 2H2O
（2）碱性电解质溶液
两极为石墨电极， 电解质是KOH溶液。
碱性 介质
负极：2H2 - 4e- + 4OH- ＝ 4H2O 正极：O2 + 4e- + 2H2O ＝ 4OH总反应：2H2 + O2 ＝ 2H2O
注：碱性溶液电荷守恒配OH- 。
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• 甲醇燃料电池 • 碱性电解质（铂为两极、电解液KOH溶液） • 负极反应：
一 定义：燃料电池是一种不经过燃烧，将 燃
料化学能经过电化学反应直接转变为电 能优点：高效、环保。
注的：装置。
（1）两电极材料可以相同，只起导电的作用。 （2）反应物不是储存在电池内部，而由外设装
备提供燃料和氧化剂。
• 正极2反C应H：3OH – 12e- + 16OH-＝ 2CO32- +12H2O
• 总反应离子方程式：
3O2 + 12e- + 6H2O ＝ 12OH-
2CH3OH + 3O2 + 4OH -＝ 2CO3 2-+ 6H2O
注：碱性条件下CO2和OH-反应最终生成CO32思考：乙醇燃料电池在碱性条件下的负极反应？
其余环境都生成CO2。
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练习1 分别写出甲烷在酸性电解质溶液、碱性电解 质溶液、熔融固体氧化物、熔融碳酸盐四种条件下 的总反应和电极反应。 (1)酸性电解质
负极： CH4 - 8e- + 2H2O = 8H+ + CO2 正极： 2O2 + 8e- + 8H+ = 4H2O 总反应： CH4 + 2O2 =CO2 + 2H2O
（2）碱性电解质溶液
两极为石墨电极， 电解质是KOH溶液。
碱性 介质
负极：2H2 - 4e- + 4OH- ＝ 4H2O 正极：O2 + 4e- + 2H2O ＝ 4OH总反应：2H2 + O2 ＝ 2H2O
注：碱性溶液电荷守恒配OH- 。
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• 甲醇燃料电池 • 碱性电解质（铂为两极、电解液KOH溶液） • 负极反应：
燃料电池课件PPT(47页)
采用非铂系催化剂
化学性质稳定
缺点：
氧化剂中必须不含有CO2。 燃料中必须不含CO2 电池电化学反应生成的水必须及时排出，维持水
平衡。
磷酸盐燃料电池（PAFC)
PAFC 是一种以磷酸为电解质的燃料电池 。 PAFC采用重整天然气作燃料，空气作氧化剂， 浸有浓磷酸的SiC 微孔膜作电解质 ， Pt/C 作 催化剂 ，工作温度 200℃ 。
具体做法是将全氟磺酸树脂玻璃化温度下施加一定压力，将以加入全氟磺酸树脂的氢电极（ 阳极 ）、隔膜( 全氟磺酸型质 子交换膜) 和 已加入全氟磺酸树脂的氧电极（阴极）压和在一起，形成了电极-膜-电极三合一组 件 ，
200℃左右 ，能量 SOFC的电解质是固体氧化物 ， 如 ZrO2 、 Bi2O3 等 ， 其阳 极是Ni-YSZ陶瓷 ， 阴 极目前主要采用 锰酸镧 (LSM，La1-xSrxMnO3 ) 材料。
碱性燃料电池的工作温度大约80℃。
碱性燃料电池工作示意图
AFC电极的制备工艺
AFC的电极设计要求电极具有高度稳定性的气、液、 固三相界面。
双孔结构电极 电极分两层，粗孔层和细孔层，粗孔层与 气室相连，细孔层与电解质接触。电极工作时，粗孔层 内充满反应气体，细孔层内填满电解液。细 孔层的电解 液浸润粗孔层，液气界面形成并发生电化学反应，离子 和水在电解液中传递，而电子则在构成粗孔层和细孔层 的合金骨架内传导 。
黏结型电极 是将亲水的导电体（ 如电催化剂材料铂 ／ 碳 ）与具有粘结能力的防水剂 （ 如聚四氟乙烯乳液 ） 按比例混合制成电极。 它在微观尺度上是相互交错的两 相体系，由防水剂构成的疏水网络为反应气体提供内部 的扩散通道；由电催化剂构成 的亲水网络可以被电解液 充满浸润，它为水和OH- 提供通道的同时，也为电子的 传导提供通道。
化学性质稳定
缺点：
氧化剂中必须不含有CO2。 燃料中必须不含CO2 电池电化学反应生成的水必须及时排出，维持水
平衡。
磷酸盐燃料电池（PAFC)
PAFC 是一种以磷酸为电解质的燃料电池 。 PAFC采用重整天然气作燃料，空气作氧化剂， 浸有浓磷酸的SiC 微孔膜作电解质 ， Pt/C 作 催化剂 ，工作温度 200℃ 。
具体做法是将全氟磺酸树脂玻璃化温度下施加一定压力，将以加入全氟磺酸树脂的氢电极（ 阳极 ）、隔膜( 全氟磺酸型质 子交换膜) 和 已加入全氟磺酸树脂的氧电极（阴极）压和在一起，形成了电极-膜-电极三合一组 件 ，
200℃左右 ，能量 SOFC的电解质是固体氧化物 ， 如 ZrO2 、 Bi2O3 等 ， 其阳 极是Ni-YSZ陶瓷 ， 阴 极目前主要采用 锰酸镧 (LSM，La1-xSrxMnO3 ) 材料。
碱性燃料电池的工作温度大约80℃。
碱性燃料电池工作示意图
AFC电极的制备工艺
AFC的电极设计要求电极具有高度稳定性的气、液、 固三相界面。
双孔结构电极 电极分两层，粗孔层和细孔层，粗孔层与 气室相连，细孔层与电解质接触。电极工作时，粗孔层 内充满反应气体，细孔层内填满电解液。细 孔层的电解 液浸润粗孔层，液气界面形成并发生电化学反应，离子 和水在电解液中传递，而电子则在构成粗孔层和细孔层 的合金骨架内传导 。
黏结型电极 是将亲水的导电体（ 如电催化剂材料铂 ／ 碳 ）与具有粘结能力的防水剂 （ 如聚四氟乙烯乳液 ） 按比例混合制成电极。 它在微观尺度上是相互交错的两 相体系，由防水剂构成的疏水网络为反应气体提供内部 的扩散通道；由电催化剂构成 的亲水网络可以被电解液 充满浸润，它为水和OH- 提供通道的同时，也为电子的 传导提供通道。
燃料电池PPT课件
• （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，减少 了输变线路投资和线路损失。
2021/3/7
CHENLI
返回 5
• 按电解质划分有5个种类：
• 碱性燃料电池（AFC）：采用氢氧化钾溶液作为
电解液
• 磷酸盐型燃料电池（PAFC）：采用200℃高温下 的磷酸作为其电解质
2021/3/7
CHENLI
18
结语
• 油价飙升、电价太贵，燃料电池成为未来 家庭能源供应相对便宜的选择，也是目前 最令人满意的解决方案。在固定电站、电 动车、军用特种电源、可移动电源等方面 都有广阔的应用前景。
• 高效、洁净的燃料电池必将在未来的高效、 清洁发电技术中占有一席之地。但是，资 金、技术、观念、基础设施上还有许多需 要克服的困难。
2021/3/7
CHENLI
19
2021/3/7
CHENLI
20
热电共生系统、UPS、分布式发电系统、军事国防、 太空与运输工具领域、机器人、笔记型计算机、 PDA、手机等便携电子产品、便携电源、搬运工具、 电动辅助/代步车等
2021/3/7
CHENLI
11
制约PEMFC商业化的主要因素
• 成本高 • 寿命短 • 燃料问题
2021/3/7
轿车用燃料电池发动机
要求燃料电池堆具有
2021/3/7
CHENLI
4
• （1）能量转化效率高。
• （2）有害气体SOx、NOx及噪音排放都很低
• （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
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燃料电池的组成
燃料电池是一个复杂的系统，由燃料和氧化 剂供给系统，水管理系统，热管理系统以及 控制系统等几个子系统组成。
燃料电池的种类
燃类料 型碱电性池 燃碱电料性池电燃料池（磷 料酸 电A型 池F燃C）质 膜（子 燃a交 料l换 电kalin熔 盐e融 燃碳料fu酸电el c固物e体燃ll)氧料化电
50%~65%
使用温度 60~120 160~220 60~120 600~1000 600~1000
碱性燃料电池
工作原理
使用的电解质为水溶液或稳定的氢氧化 钾基质， 阳极反应：2H2 + 4OH- → 4 H2O + 4e阴极反应：O2 + 2H2O + 4 e- → 4OH总反应：O2+2H2 →2H2O
静态排水法
在氢气室一侧设置一多孔排水膜，生成的水通过浓差扩 散通过氢气室，进入排水膜在排水膜外侧冷凝并通过排 水腔排出
冷凝排水法
在氢气室一侧设置冷凝板，外侧的冷凝腔内流过冷却剂 ，生成的水灾冷凝板上冷凝成液态排出
电解质排水法
通过电解液的外部循环蒸发排水
AFC的性能优缺点
优点：
能量转化效率高 通常单位输出电压为0.8~0.95V ，能量转换效率高达60%~70%。
质子交换膜燃料氢电池(P、E天M然F气C) 煤(p气r、o沼ton 煤气、沼
氧化e剂xchan纯g氧e mem空b气rane f空u气el cell)气 空气
气 空气
固体氧化物燃料电池(SOFC) (solid oxide fuel
效率cell) 60%~90% 37%~42% 43%~58% 50%~
第五章 燃料电池
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。
碱性燃料电池的工作温度大约80℃。
碱性燃料电池工作示意图
AFC电极的制备工艺
AFC的电极设计要求电极具有高度稳定性的气、液 、固三相界面。
双孔结构电极 电极分两层，粗孔层和细孔层，粗孔层与 气室相连，细孔层与电解质接触。电极工作时，粗孔层 内充满反应气体，细孔层内填满电解液。细 孔层的电解 液浸润粗孔层，液气界面形成并发生电化学反应，离子 和水在电解液中传递，而电子则在构成粗孔层和细孔层 的合金骨架内传导 。
PAFC的结构
由多节单电池按压 滤机方式组装构成 电池组。PAFC的 工 作温度一般为 200℃左右 ，能量 转化率约在 40%， 为保证电池工作稳 定，必须连续地排 除废热。
PAFC的冷却系统
水冷排热
水冷可采用沸水冷却和加压冷却。沸水冷却时，水的用 量较少，而加压冷却则要求水的流量较大。水冷系统对 水质要求高，以防止水对冷却板材料的腐蚀。水中的重 金属含量要低于百万分之一，氧含量要低于十亿分之一
空气冷却
采用空气强制对流冷却系统简单，操作稳定。但气体热 容低，造成空气循环量大，消耗动力过大。所以气冷仅 适用于中小功率的电池组 。
绝缘油冷却
采用绝缘油作冷却剂的结构与加压式水冷相似，油冷系 统可以避免 对水质高的要求，但由于油的比热小，流量远大于水的 流量。
PAFC的关键材料
电催化剂
黏结型电极 是将亲水的导电体（ 如电催化剂材料铂 ／ 碳 ）与具有粘结能力的防水剂 （ 如聚四氟乙烯乳液 ）按比例混合制成电极。 它在微观尺度上是相互交错的 两相体系，由防水剂构成的疏水网络为反应气体提供内 部的扩散通道；由电催化剂构成 的亲水网络可以被电解 液充满浸润，它为水和OH- 提供通道的同时，也为电子 的传导提供通道。
Pt/C催化剂是PAFC常用的电极活性材料。
铂和过渡金属（V、Cr、Co等）和合金
电极结构
双极板
扩散层 平整层 催化层
电解质材料
浓磷酸溶液
隔膜材料
双极板的作用是分隔氢气和 氧气，并传导电流，使两极 导通。双极板材料是玻璃态 的碳板，表面平整无滑，以 利于电池各部件接触均匀。
磷酸型燃料电池(PAFC池) (phosp池horous池acid
英文fu简e称l ceAllF)C
PAFC
PEMFC MCFC
SOFC
电解熔质融碳氢溶酸氧液盐化钾燃料磷酸电池(M质 膜C子F渗C透) (m碳酸ol钾ten
固体氧化 物
燃料carbon纯a氢te fuel天c然e气ll)， 氢、甲醇 天然气、 天然气、
PAFC是目前单机发电量最大的一种燃料电池 。
PAFC的工作原理
阴极反应： 阳极：
1/C2HO4阳2++22极HH2+O反+2→e应4-→H：H2H2+→2COO2H2 ++2eCH3HOH2→+H22OH+→+32He2+- CO2
阴极反应： 1/2O2+2H++2e- →H2O
总反应 1/2O2+2H2 →H2O
采用非铂系催化剂
化学性质稳定
缺点：
氧化剂中必须不含有CO2。 燃料中必须不含CO2 电池电化学反应生成的水必须及时排出，维持水
平衡。
磷酸盐燃料电池（PAFC)
PAFC 是一种以磷酸为电解质的燃料电池 。 PAFC采用重整天然气作燃料，空气作氧化剂 ，浸有浓磷酸的SiC 微孔膜作电解质 ， Pt/C 作催化剂 ，工作温度 200℃ 。
AFC的பைடு நூலகம்化剂
常用的催化剂有
贵金属，包括铂、铑、金、银 贵金属合金 过渡金属，如钴、镍和锰等。
对催化剂的布置形式
直接制成电极如采用高比表面的镍作阳极，银粉 作阴极，电极本身具有催化性能
用高比表面的碳材料做电极基体，将贵金属催化 剂分散到碳基体上，形成具有催化活性的电极。
AFC的隔膜材料
一般采用石棉膜
由石棉纤维制备，分子式为3MgO·2SiO2·2H2O 石棉膜化学性能稳定，耐酸碱和有机物腐蚀，具
有均匀的孔结构，是电子的绝缘体。饱浸氢氧化 钾水溶液的石棉膜是离子 (OH－) 的良好导体，并 阻止水分子通过。
AFC循环系统
AFC的排水方法
反应气体循环法
通过循环一个或两个电极的反应气体，在外部冷凝成液 态水排出