武汉理工大学-燃料电池技术-复习要点
燃料电池--适合高三一轮化学复习用
燃料电池书写燃料电池电极反应式一般分为三步：第一步，先写出燃料电池的总反应方程式；第二步，再写出燃料电池的正极反应式；第三步，在电子守恒的基础上用燃料电池的总反应式减去正极反应式即得到负极反应式。
1、燃料电池总反应方程式的书写因为燃料电池发生电化学反应的最终产物与燃料燃烧的产物相同，可根据燃料燃烧反应写出燃料电池的总反应方程式，但要注意燃料的种类。
若是氢氧燃料电池，其电池总反应方程式不随电解质的状态和电解质溶液的酸碱性变化而变化，即2H2+O2=2H2O。
若燃料是含碳元素的可燃物，其电池总反应方程式就与电解质的状态和电解质溶液的酸碱性有关，如甲烷燃料电池在酸性电解质中生成CO2和H2O，即CH4+2O2=CO2+2H2O；在碱性电解质中生成CO32-离子和H2O，即CH4+2OH-+2O2=CO32-+3H2O。
2、燃料电池正极反应式的书写因为燃料电池正极反应物一律是氧气，正极都是氧化剂氧气得到电子的还原反应，所以可先写出正极反应式，正极反应的本质都是O2得电子生成O2-离子，故正极反应式的基础都是O2＋4e-=2O2-。
正极产生O2-离子的存在形式与燃料电池的电解质的状态和电解质溶液的酸碱性有着密切的关系。
这是非常重要的一步。
现将与电解质有关的五种情况归纳如下。
⑴电解质为酸性电解质溶液（如稀硫酸）在酸性环境中，O2-离子不能单独存在，可供O2-离子结合的微粒有H+离子和H2O，O2-离子优先结合H+离子生成H2O。
这样，在酸性电解质溶液中，正极反应式为O2＋4H++4e-=2H2O。
⑵电解质为中性或碱性电解质溶液（如氯化钠溶液或氢氧化钠溶液）在中性或碱性环境中，O2-离子也不能单独存在，O2-离子只能结合H2O生成OH-离子，故在中性或碱性电解质溶液中，正极反应式为O2＋2H2O +4e-=4OH-。
⑶电解质为熔融的碳酸盐（如Li2CO3和Na2CO3熔融盐混和物）在熔融的碳酸盐环境中，O2-离子也不能单独存在，O2-离子可结合CO2生成CO32-离子，则其正极反应式为O2＋2CO2 +4e-=2CO32-。
燃料电池技术 第二章 燃料电池基础理论与研究方法(1)
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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%。
1
第二章
燃料电池基础理论 与研究方法
燃料电池技术 第2章 燃料电池基础理论与研究方法
2
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。
阴极： 氧化剂被还原，接
受电子，并与阳极来的质 子发生反应。
燃料电池技术
第2章 燃料电池基础理论与研究方法
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2.1 燃料电池热力学
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2.2.1 法拉第定律
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
其中， ∆m和Q分别是反应物的消耗量和产生的电量（单位 库仑），I是电流强度，t是时间。 ke 比例 系 数 ：是产生 单 位 电量所 需 的反应 物 的量， 称 为 电 化当量。
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FC 都 是 采 用 多孔 气 体 扩散 电极， 电极 ， 反应是在 整 个电极的立 体空间 内的三 相（ 相（ 气、液 、固 ） 界面上进行的。 的。 对任何形式的多孔气体扩散电极，由于电极 反应界面 的真 实面积是很难计算 的，通 常是 以 电极的几何面 积计算 电流密 度的，所得 到的电 流密度称为表观电流密度。 显然，表观电流密度可以用来表示电化学反 应速度。
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。
高考燃料电池知识点
高考燃料电池知识点随着能源危机日益突显和环境污染日益恶化，人们对清洁能源的需求变得越来越迫切。
燃料电池作为一种高效、清洁的能源转换技术，逐渐成为人们关注的焦点。
在高考中，燃料电池也成为了重要的考察内容。
本文将就高考燃料电池知识点展开探讨。
燃料电池的基本原理是将燃料和氧气在催化剂的作用下进行氧化还原反应，通过产生电流来供应电力。
以氢燃料为例，氢气在阳极（Anode）被催化剂分解成质子和电子，质子穿过质子交换膜（PEM）进入阴极（Cathode），电子则通过外部回路流向阴极，形成电流。
在阴极处，质子和电子再与氧气发生还原反应生成水，释放出能量。
燃料电池通过这种方式将化学能转化为电能。
在高考中，和燃料电池相关的知识点主要包括燃料、电解质、催化剂等方面。
首先，我们来看看常用的燃料种类。
目前常见的燃料包括氢气、甲醇和乙醇等。
其中，氢气作为最干净的燃料，被广泛应用于燃料电池中。
其次，电解质的选择也至关重要。
高考中，常见的电解质有固体氧化物燃料电池（SOFC）中的氧化锆、电解质膜燃料电池（PEMFC）中的质子交换膜等。
电解质的选择直接影响到燃料电池的性能和稳定性。
最后，催化剂是燃料电池反应过程中的关键组成部分。
如铂、钯等催化剂能够显著提高氢气的氧化速率，提高燃料电池的效率。
除了这些基础知识点，高考中还可能涉及一些与燃料电池相关的专业术语和应用场景。
例如，高考题可能会涉及到燃料电池的工作温度范围。
燃料电池需要在一定的温度范围内工作，过高或过低的温度都会对燃料电池的性能产生不利影响。
此外，高考还可能考察燃料电池的应用领域，例如交通运输、储能、移动电源等。
对于不同的应用领域，燃料电池的设计和使用条件也会有所不同。
在高考中，理解燃料电池的基本原理和关键技术是解题的关键。
同时，了解燃料电池的应用前景和现实意义，对于提高解题的深度也是至关重要的。
燃料电池作为一种能够解决能源和环境问题的主流技术，具有巨大的发展潜力。
在未来，燃料电池有望成为能源领域的重要组成部分，推动能源结构转型和可持续发展。
燃料电池-高考化学二轮专题复习课件
真题突破
（2021·山东真题）以KOH溶液为离子导体，分别组成CH3OH—O2、N2H4— O2、(CH3)2NNH2—O2清洁燃料电池，下列说法正确的是 C．消耗等质量燃料，(CH3)2NNH2—O2燃料电池的理论放电量最大 D．消耗1molO2时，理论上N2H4—O2燃料电池气体产物的体积在标准状况下 为11.2L
谢谢
正极反应的本质都是O2得电子生成O2-离子，故正极反应式的基础都是： O2＋4e-=2O2-
电解质为酸性电解质溶液 （如稀硫酸）在酸性环境中 O2＋4H++4e-=2H2O
电解质为熔融的碳酸盐（如 LiCO3和Na2CO3熔融盐混和物） O2＋2CO2+4e-=2CO32-。
电解质为中性或碱 性电解质溶液（如 氯化钠溶液或氢氧 化钠溶液）O2＋ 2H2O +4e=4OH-。
C．理论放电量与燃料的物质的量和转移电子数有关，设消耗燃料的质量均为
mg，则甲醇、N2H4和(CH3)2NNH2放电量（物质的量表达式）分别是：32gm/mg ol 6
mg 4 32g/mol
mg 60g/mol
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通过比较可知(CH3)2NNH2理论放电量最大，C正确；
D． 根据转移电子数守恒和总反应式可知，消耗1molO2生成的氮气的物质的
碱性环境下，甲醇燃料电池总反应为：2CH3OH+3O2+4KOH=2K2CO3+6H2O；N2H4-O2清洁燃 料电池总反应为：N2H4+O2=N2+2H2O；偏二甲肼[(CH3)2NNH2]中C和N的化合价均为-2价，H 元素化合价为+1价，所以根据氧化还原反应原理可推知其燃料电池的总反应为： (CH3)2NNH2+4O2+4KOH=2K2CO3+N2+6H2O
燃料电池复习资料
2006 试题1.缺气对燃料电池有什么危害？（10分）缺气：无法正常工作；无法移走反应生成的水，造成燃料电池过热；有可能会增加膜电极两侧的压力差，导致气体通过膜进行扩散，氢氧混合造成危险~~2.如何用温度调节法解决燃料电池内缺水或水过剩的问题？(10分)缺水：降低温度水淹：升高温度3.为什么在设计过程中FC压力降不能过高也不能过低?(10分)太低，不能移走水；太高，压降损失大。
主流道压力降<< 流场压力降4.分析工作温度对燃料电池输出性能的影响。
(10分)当电池加热温度低于加湿温度时, 随着电池加热温度的升高, PEM 燃料电池的性能也在提高. 当电池加热温度高于加湿温度时, 升高电池的加热温度反而会降低PEM 燃料电池的性能。
低温时，燃料电池的性能主要受到电化学反应速度的控制, 升高电池的温度会加快电化学反应的速度, 提高交换电流密度,使电池的性能得到提高. 同时燃料电池温度的升高可以加速应物和生成物在电池中的传递, 也有利于提高PEM 燃料电池的性能。
高温时，PEM 燃料电池的性能主要受到质子膜及膜成分阻抗控制. 这时, 质子膜和膜成分因电池温度过高而出现脱水现象, 质子膜和膜成分中的质子传导率降低, 阻抗增大, 降低了PEM 燃料电池的性能。
（湿度：当氢气湿度低时,氢气携带的水分少,扩散进入阳极催化剂层中的水分就更少,这样使质子膜在阳极侧的水分减少,阻抗增大,质子膜的阻抗控制着燃料电池的性能.随着氢气湿度的升高,携带的水分增加,膜阳极侧的阻抗降低,燃料电池的性能得到提高.而当氢气湿度太高时,氢气携带的水分大大超过了质子在质子膜中迁移时需要的水分,此时会在电极多孔介质中出现过多的液态水,阻碍了气体的扩散,浓差极化控制着电池的性能,这种情况当电流密度较大时表现最为明显.）5.如何精确控制不饱和湿度？(10分)2007 试题1.请画出由两片燃料电池组装的电池堆结构示意图，要求标注各部件的名称；并以此电池堆外接负载为例，描述电子和质子的移动起点和终点。
高二常见的燃料电池知识点
高二常见的燃料电池知识点燃料电池是一种利用氢气（或其他可燃气体）和氧气反应产生电能的装置。
随着环境污染和能源危机的加剧，燃料电池作为一种清洁、高效的能源转换技术，受到了越来越多的关注。
本文将介绍高二学生常见的燃料电池知识点。
一、燃料电池的原理燃料电池通过氧化还原反应将燃料气体中的氢原子从电子中解离出来，进而产生电能和水。
其中，氢气在阴极（负极）催化剂的作用下，将电子电荷释放出来，形成氢离子，并通过电解质传递到阳极（正极）。
而氧气在阳极催化剂的作用下，吸收电子，并与氢离子结合形成水。
这种氧化还原反应产生的电子流经外部电路产生电流，从而驱动电子设备工作。
二、燃料电池的种类1. PEMFC（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，质子交换膜燃料电池）：使用质子交换膜作为电解质，主要应用于汽车等移动电源领域。
2. SOFC（Solid Oxide Fuel Cell，固体氧化物燃料电池）：使用固态电解质，可以利用多种燃料，适用于工业领域。
3. DMFC（Direct Methanol Fuel Cell，直接甲醇燃料电池）：使用甲醇直接作为燃料，广泛应用于便携式电子设备。
三、燃料电池的优点和应用1. 高效清洁：燃料电池的能量转换效率高达60%-70%，不产生二氧化碳等有害气体，对环境友好。
2. 灵活性强：燃料电池可以使用多种燃料，如氢气、甲醇等，为能源的多样化提供了可能。
3. 应用广泛：燃料电池可以用于汽车、船舶、飞机等交通工具，也可以作为家庭和工业的备用电源。
四、燃料电池的挑战和发展1. 储氢问题：氢气的储存是燃料电池面临的主要挑战之一，目前尚未找到经济、高效的储氢方法。
2. 催化剂成本高：燃料电池中的催化剂通常采用贵金属，如铂，造成成本较高。
3. 市场推广：燃料电池技术虽然已有长足的进展，但在商业化方面仍面临一些困难，需要政府和企业的支持。
五、燃料电池的未来发展趋势1. 催化剂研究：寻找替代贵金属催化剂，开发更经济、高效的催化剂材料，降低成本。
燃料电池技术基础总结
燃料电池技术基础总结Ch11. 燃料电池是一种不经过燃烧过程的低污染、高效的发电装置，是可以利用氢这种新型能源作燃料的一种清洁发电装置，已成为继水力发电、火力发电和核能发电之后的第四代主要发电技术。
2. 产业化过程将会经历三个阶段，即注重技术水平的成果阶段、注重实用化的产品阶段和注重销售价格,生产成本的商品化阶段。
3(燃料电池(Fuel Cell)的定义:是一种以氢为主要燃料，把燃料中的化学能通过电化学反应直接变换成电能的高效、低污染、无噪声的发电装置。
燃料电池与一般传统电池(battery) 的相同点:都是将活性物质的化学能转化为电能的装置，都属于电化学动力源(electrochemical power source，electrochemical cell) 不同点:燃料电池是能量转换器，非能量储存器;一般电池是能量储存器4. 1838年 C.F(Schonbein发现燃料电池原理5. 1993年重要里程碑:加拿大巴拉德动力系统(Ballard power system)公司推出全世界第一辆以质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)为动力的电动汽车。
6. 燃料电池发电是直接通过电化学反应将燃料的化学能转变成电能，不受卡诺循环的限制，转化过程的步骤少、效率高，发电过程中没有燃烧、不冒烟，不会产生污染没有高速转动部件，不会产生噪声。
7. 按照燃料的来源，燃料电池可以分成类:一类是直接式燃料电池，即燃料用氢气;另一类是间接式燃料电池。
8. 由于大部分的燃料为有机化合物且为气体，这就要求电极具有催化剂的特性(也就是“电催化”作用)，并且为多孔质材料，以增大燃料气、电解液和电极三者的三相接触界面，促进电子授受反应的进行。
发生电子授受反应的气、液、固三相接触界面称为三相区(Three Phase Zone)。
9. 气体扩散电极的研究直接关系到整个燃料电池的发展，是燃料电池研究的重要课题之一。
燃料电池技术
燃料电池分类及特性2
磷酸型燃料电池和熔融碳酸盐型燃料电池
• 2.磷酸型燃料电池(PAFC)。它以磷酸水溶液作为电解 质，工作温度为150～220℃，发电效率达40％～50％， 放出旳余热可以加热水和蒸汽用于供暖。磷酸型电池 旳发电能力较小，它可用于建造小型旳热电联供系统。 目前磷酸型燃料电池制造技术已达实用化水平。
• 3.熔融碳酸盐型燃料电池(MCFC)。它以高温下处在熔 化状态旳碳酸盐(碳酸锂、碳酸钾)作为电解质，工作 温度为600～700℃，发电效率达45％～55％，不仅可 以直接运用余热进行供热，并且排出旳高温气体可以 带动气轮机，进行第二次发电。它旳最大旳特点是可 以组合成复合发电旳电力回收型系统。
固体电解质型燃料电池和固体高分子型燃料电池
• 燃料电他旳实用化，最早是1960年10月初次将美国通用 电气企业研制旳质子互换膜燃料电池用于双子星座飞船 作为主电源。之后．1968年又在美国阿波罗登月飞船上 将碱性燃料屯池作为主电源，为人类初次登上月球做出 丁奉献。
• 美国在1967年开始了以民用为目旳旳研究计划，首先开 发磷酸础燃料电池。之后，以美国、日本为中心，进行 了磷酸型燃料电池实用化旳工作。
(6)剩余气体循环系统。在高温燃料电池发电装置 中，由于电池排热温度高，因此装设有可以使 用燃气轮机与蒸汽轮机剩余气体旳循环系统。
课堂作业（2023-11-15）
• 1、燃料电池有哪些特性？ • 2、按燃料电池所采用旳电解质分类，可分
为哪几类？ • 3、燃料电池系统有哪些分系统？
燃料电池旳历史
• 1839年，格罗夫刊登了世界第1篇有关燃料电他研究旳汇 报。
性燃料电池和固体高分子型燃料电池； 中温燃料电池：工作温度在100~300 ℃旳，包括
大学燃料电池讲义第二章燃料电池燃料和氧化剂供应
(1)对储氢系统的要求
安全性最重要，不过在设计时都会充分考虑，并且在使用中多能够满足。
单位质量储氢密度，即储氢质量与整个储氢单元的质量之比，是衡 量氢气储运技术是否先进的主要指标。
储氢设备使用的方便性也是很重要的要求，例如充放氢气的时间、使 用的环境温度等。
可以像天然气一样用密封罐低压储存，不过因氢气密度太低，只适 合大规模储存，应用不多。 一般将氢气压缩到15~40MPa高压，装入钢瓶中储存和运输。
新型复合高压氢气瓶（耐压35MPa）储氢密度可达2%。 高压储氢动态响应最好，能瞬间通断，实际使用最广泛。 不过有安全隐患。
(2)液氢的储存
氢气在-252.7℃低温下可以变为液体。液体的氢可以储存在绝热的低温
容器中。 液氢的单位体积含能量很高，比高压气态储存高好几倍。
液氢的理论体积密度只有70kg/m3。考虑容器和附件的体积，储氢 密度还远达不到这一数值。 液氢储运的最大优点是质量储氢密度高，目前可做到5%以上，存在的 问题是蒸发损失与成本问题。
氧气发生反应而重新生成氧化物。因此，需将它们从产物中分离出来。 整个过程仅仅消耗水和一定的热量。
3）等离子体制造氢气过程 用电场电弧能将水加热到5000℃，分解成H、H2、O、O2、OH和水。
要使等离子体中氢组分含量稳定，就必须使氢不再和氧结合。该过程能耗很 高，因而制氢成本很高。
我国的氢气生产，除了用化石燃料以外，其余的主要都通过水电 解法生产。不产生温室气体，但是生产成本较高。
（4）生物制氢
1）生物质气化制氢 将生物质原料压制成型，在气化炉（或裂解炉）中进行反应制得含氢的混合 燃料气。
其中的碳氢化合物再与水蒸气发生反应，生成H2 和CO2（参见天然气 制氢）。
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。
3.2 燃料电池的电化学反应燃料电池的电化学反应包括阳极反应和阴极反应。
阳极反应是氢气通过催化剂发生氧化反应生成正极电子和质子；阴极反应是氧气与质子和正极电子在催化剂的作用下发生还原反应生成水。
3.3 燃料电池的工作过程燃料电池的工作过程包括氢气或含氢化合物燃料在阳极发生氧化反应产生正极电子和质子，正极电子通过外部电路产生电流。
武汉理工大学燃料电池技术课程重点回顾PPT课件
❖ 从动力学角度来看——化学反应动力学关心从反应初始状态 变成最终状态的过程(途径)，着重热量转移的热化学反应(燃 烧)与有电功产生的电化学反应(燃料电池)的反应途径完全不 同，不同的反应途径使得两者对环境所作的功也不相同。因 此，两者是有明显差异的
PAFC：以碳化硅作为电解质的载体、H3PO4电解液作为电 解质，采用Pt催化剂
MCFC：以多孔陶瓷材料作为电解质的载体，熔融状态碱性 碳酸盐为电解质，采用镍与氧化镍分别作为阳极与阴极的 催化剂
❖ 氢氧燃料电池基本结构：电解质，阴极与阳 极
❖ 燃料成分对燃料电池的影响
❖ 燃料电池应用分ห้องสมุดไป่ตู้:
❖便携式电源、备用式电源、移动式电源、固定 式电源
❖ 反应气体压力(或浓度)改变对燃料电池可逆电 位的影响
燃料气体分压效应
氧化剂分压效应
系统压力效应
燃料与氧化剂利用率效应
❖ 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、热电合并效率及其相互 关系
第三章 燃料电池电极反应动力学
❖ 概述 ❖ Butler-Volmer方程式 ❖ 极化 ❖ 活化过电位、浓度过电位、欧姆过电位 ❖ 极化曲线 ❖ 催化作用
❖ Bulter-Volmer方程式 ❖ 极化(polarization)、过电位(overpotential) ❖ 三类极化、三类过电位、极化曲线图
❖ 燃料电池进行的电化学反应时，燃料气体与氧化剂 的输送机制及其受阻引起的极化类型
燃料电池高一相关知识点
燃料电池高一相关知识点燃料电池是一种能将氢气、天然气、甲醇等燃料与氧气反应产生电能的装置。
燃料电池具有高效、环保、静音等特点，被广泛应用于电动汽车、无人机和家用电力系统等领域。
在高中化学学科中，燃料电池也是一个重要的知识点。
本文将介绍燃料电池的原理、分类以及应用等相关知识。
一、燃料电池的原理燃料电池的基本原理是利用电化学反应转化化学能为电能。
其中最常见的燃料电池是氢气燃料电池，反应方程式如下：2H2 + O2 → 2H2O该反应产生的电子通过外部电路流动，从而产生电能。
同时，氢气和氧气在燃料电池中通过电解质层交流，氢气被氧化为氧化剂（如氧气中的O2-），氧气被还原为还原剂（如氢气中的H+）。
二、燃料电池的分类燃料电池可以根据不同的电解质材料、工作温度和燃料类型进行分类。
1.根据电解质材料的不同，燃料电池可以分为以下几类：(1)质子交换膜燃料电池（PEMFC）：采用固体高分子质子交换膜作为电解质。
(2)碱性燃料电池（AFC）：采用碱性电解质溶液作为电解质。
(3)磷酸燃料电池（PAFC）：采用磷酸溶液作为电解质。
(4)固体氧化物燃料电池（SOFC）：采用固体氧化物作为电解质。
2.根据工作温度的不同，燃料电池可以分为以下几类：(1)低温燃料电池（LTFC）：工作温度在100℃以下。
(2)中温燃料电池（MTFC）：工作温度在100℃-300℃之间。
(3)高温燃料电池（HTFC）：工作温度在500℃以上。
3.根据燃料类型的不同，燃料电池可以分为以下几类：(1)氢气燃料电池（HFC）：以氢气为燃料。
(2)甲醇燃料电池（MFC）：以甲醇为燃料。
(3)乙醇燃料电池（EFC）：以乙醇为燃料。
(4)天然气燃料电池（NGFC）：以天然气为燃料。
三、燃料电池的应用目前，燃料电池在多个领域得到广泛应用。
1.交通工具：燃料电池被用于电动汽车以及无人机等交通工具中，取代传统的燃油发动机，以实现零排放和低噪音运行。
2.家用电力系统：燃料电池被应用于家庭能源系统中，可以为家庭供应电力和热能，提供清洁而稳定的能源。
武汉理工大学-燃料电池技术-课程重点回顾
理想电位与压力大小的表现、 Nernst方程式）
RT a A a BB En E ln n C n D nF aC a D
0 n
A n n
燃料电池的电动势(electromotive
potential) En ，或称作平衡电池电压(equilibrium cell voltage)、可逆电池电压(reversible cell voltage)、理想电池电压(ideal cell voltage)、 无效电位(null potential)、开路电压(opencircuit voltage，OCV)等 反应气体压力(或浓度)改变对燃料电池可逆电 位的影响
H2 1 O2 H 2 O 2
1 g (g ) H 2 0 (g ) H 2 (g ) O2 2
En
g 2F
理想电位与温度的关系
En h nFEn nFT T P
等压条件下焓变量与可逆电池电位之间的关系
（电动势温度系数的概念） 电化学反应的热量变化与电池的电动势温度系数 E 的关系 q TS nFT T 如何根据电化学反应的热量变化判断系统能量转 变为电能的情况
Nafion
功用：将电流传导至双极板；协助气体扩散至催
化剂表面。 材质特性：导电性、多孔性、疏水性
目前GDL材料：碳布（carbon
cloth）或碳
纸（carbon paper）。
双极板（流场板）的主要功能：进气导流与收集电流 PEMFC双极板的材料及基本特性：无孔石墨板、塑 料碳板、表面改性金属板、复合型双极板；具有阻气、 导电、散热以及抗腐蚀等基本特性 PEMFC双极板材料特性
的一种燃料电池 电解质将电池分隔成阴极与阳极两部分 阳极发生电化学反应：H2→2H++2e 氢离子通过质子交换膜以水合质子H+(xH2O)的形式，从一个磺酸基 （—SO3H）转移到另一个磺酸基往阴极移动 电子经由外电路对负载做功后移往阴极 阴极发生电化学反应： 1
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。
知识点燃料电池
知识点11 化学能转化为电能——原电池（第3课时）【考纲定位】了解常见化学电源的种类及其工作原理。
【知识回顾】考点燃料电池的工作原理及其应用燃料电池是一种不经过燃烧而直接以电化学反应方式将燃料的化学能转化为电能的装置。
近年来，燃料电池因其具有能量利用率高、可连续使用、环境污染轻、结构模块化等突出优点已成为一种发展前景十分广阔的化学电源，得到了迅速的发展。
以电解质类型来区分，目前的燃料电池主要有以下几种类型：碱性燃料电池(AFC)、磷酸型燃料电池(PAFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)和质子交换膜燃料电池(PEMFC)。
1.碱性燃料电池碱性燃料电池的电解质为浓氢氧化钾的水溶液，将OH－从正极输送到负极。
其工作温度为80℃左右，且对CO2非常敏感（电解质能与CO2反应），所以只能用纯氧气作为氧化剂。
写出下列燃料电池的电极反应式及总反应式⑴氢气燃料电池⑵CO燃料电池⑶甲烷燃料电池⑷甲醇燃料电池【练一练】某氢氧燃料电池的电解质溶液为KOH溶液，下列有关该电池的叙述正确的是（）A．电池工作时，电子由正极通过外电路流向负极B．电池工作时，OH－向正极移动C．工作一段时间后，电解质溶液的pH变大D．用该电池电解CuCl2溶液，产生2.24 L Cl2（标准状况）时，有0.2 mol e－转移2.酸性磷酸型燃料电池磷酸型燃料电池的电解质是磷酸溶液，将H+从负极传送到正极，工作温度在200℃左右。
磷酸型燃料电池对CO2不敏感（电解质不与CO2反应）。
与其它燃料电池相比，磷酸型燃料电池由于工作温度低、不需用纯氧而能实现低成本运营，是最早投入工业化发电的燃料电池。
写出下列燃料电池的电极反应式及总反应式⑴氢气燃料电池⑵CO燃料电池⑶甲烷燃料电池⑷甲醇燃料电池【练一练】甲醇（CH3OH）燃料电池可用于笔记本电脑、汽车等，一极通入甲醇，另一极通入氧气，电池工作时，H+由负极移向正极。
下列叙述正确的是A．氧气为负极B．甲醇为负极C．正极反应为：O2+4H++4e-==2H2OD．负极反应为：CH3OH+H2O+6e- ==CO2↑+ 6H+3.固体氧化物燃料电池固体氧化物燃料电池以氧化钇—氧化锆固体为电解质，这种固体电解质在高温下(1000℃)能将O2－从正极运送到负极，由于工作温度很高，因此这种燃料电池的电解质连同其他组件都由陶瓷材料制成。
燃料电池专业知识培训
燃料电池专业知识第一章燃料电池原理和构成定义：燃料电池(Fuel Cell)转化为电能的发电装置。
燃料氧化剂电能PEMFC 原理AnodeH+CathodeMembraneGas Diffusion Gas Diffusion Bipolar构成NREL◆作用：电解质，传导质子，隔离反应气体◆强度高◆材料：Nafion Dow膜，复合膜，BaM3G膜；催化层CL(Catalyst layer)◆◆要求：导电性好，载体耐蚀，催化活性大；◆材料：Pt/C◆载体材料C：纳米颗粒碳，碳纳米管，碳须◆最先进的技术是3M的催化剂“小麦”种植技术;◆催化剂最先进的是“壳核”结构(gas diffusion layer)◆作用：传质，导电，传热，支持催化层，导水◆◆材料：石墨化碳纸或碳布（Flow Plate）◆对于水冷流场，又称为双极板Bipolar-plate◆作用：气体分配，集流，导热，密封◆要求：重量小，高电导，高热导，耐腐蚀，耐压，低成本◆材料：石墨，合金第二章燃料电池特性和参量◆表征参量◆平均单节电压◆电流密度◆操作温度◆反应气体压力◆运行的需求：◆阴极氧气；◆阳极氢气◆膜中含水◆饥饿◆在反应腔内缺少气体◆水淹◆过大电流◆串漏◆双极板串漏◆MEA串漏◆动力学极化◆由催化剂决定，是无法避免的电化学特性（电化学平衡）◆欧姆极化◆线性损失由：电子传导和质子传导阻力导致；◆即接触电阻、电阻和PEM质子传输速度；◆传质极化◆气体向催化剂表面扩散的速度决定；同时受排水速度影响第三章燃料电池系统设计◆根据动力需求和能量匹配选择合适的燃料电池功率范围◆◆◆根据电堆的操作条件匹配空压机、氢气循环泵和冷却水泵◆绘制工艺流程图和电气原理图◆制定控制策略◆打样、试验验证◆根据匹配车辆的条件做产品定型◆公告测试和产品小批量试制1、燃料电池功率选择WZL提供的负载功率曲线◆根据电动车的电池功率随时间的变化关系曲线◆这组曲线用作我们混合动力模型的动力输出需求输入◆◆模型假设原有的蓄电池被小一点的蓄电池和燃料电池系统取代混合系统模型型所有的模型参数都是可以修正的◆蓄电池540V恒压90Ah容量180A的放电电流180A的充电电流◆Control 控制模式燃料电池模块的工作状态由SOC决定当SOC降至50%时，启动电堆当SOC提高至70%时，关闭电堆电堆的操作电流随SOC的变化而变化负载，电池和DCDC输出电流燃料电池电压经过DCDC变换成540V之后，DCDC的输出最大电流约只有60A 上面图例中的峰值由蓄电池来处理，而燃料电池模块则是处理基本功率需求蓄电池的最大和最小充电电流都在电池许可范围内模型输出参数表◆什么是技术路线？为达到技术目标采取的技术手段燃料电池电堆按照操作条件可分低压、中压和高压技术路线。
燃料电池知识扩展
燃料电池知识扩展————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：概述简单地说，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”。
燃料电池的概念是1839年G.R.Grove提出的，至今已有大约160年的历史。
燃料电池的特点燃料电池十分复杂，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）能量转化效率高他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%～6 0%，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，从而改善了地区频燃料电池原理率偏移和电压波动，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。
“燃料”和“电池”为了了解它的价值，让我们分别研究一下“燃料”和“电池”这两个词。
为了利用煤或者石油这样的燃料来发电，必须先燃烧煤或者石油。
它们燃烧时产生的能量可以对水加热而使之变成蒸汽，蒸汽则可以用来使涡轮发电机在磁场中旋转。
这样就产生了电流。
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《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。
构成质子交换膜燃料电池的关键材料与元器件：质子交换膜，触媒与电催化反应、电极、膜电极组、双极板与流场
PEM的功用与特性
Nafion 膜的立体结构：主干、离子簇、侧键
氢离子在质子交换膜中的传导机制
质子交换膜内水迁移主要形式：电渗力、扩散作用、压力作用
气体扩散层GDL的功用及其材质特性
目前GDL材料
影响单电池性能的因素
电池组的关键技术：密封、水管理、增湿、散热等
水管理不当造成的负面影响：膜脱水(dewatering)、电极水泛滥(flooding)或者反应气体被水蒸气稀释(dilution)等
散热方式：对流或相变化(或蒸发)
第4章直接甲醇燃料电池(DMFC)
电极反应方程式
PEMFC与DMFC电极过电位的比较
甲醇在铂触媒表面的吸附/脱氢过程的反应机制
影响DMFC性能的因素（表）
第5章碱性燃料电池(AFC)
电解质载体、电解质、工作温度
特点、缺点
导电离子、水生成侧
比能量的概念，质量比能量、体积比能量
第6章磷酸燃料电池(PAFC)
电解质、工作温度
三相界面的原理
冷却技术：沸腾冷却与强制对流冷却两种
第7章熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)
电解质、电解质载体、工作温度、载流子、催化剂
第8章固态氧化物燃料电池(SOFC)
SOFC的工作原理、特点
载流子的概念：携带电荷进行定向输送形成电流的带电质点。
固态电解质：具有某种离子或载流子的固体物质称为固态电解质
固体电解质的分类：按导电离子的种类分为阴离子固体电解质、阳离子固体电解质及混合型固体电解质三大类。
阴离子固体(态)电解质
阳离子固体(态)电解质
SOFC电池结构形式：管式(tubular design)，叠层波纹板式(monolithic design)和平板式(planar design)
杂质对性能的影响
第9章燃料电池的表征
了解可能需要表征的各种燃料电池特性参数
表征燃料电池有两个主要目的
燃料电池表征技术的分类：电化学表征技术(现场)；非现场表征技术。
电化学表征技术(现场)：运用电化学变量如电压、电流、时间来表征燃料电池在工作条件下的性能。
主要的现场电化学表征方法
主要的非现场表征方法
两类基本的电化学表征技术：恒电势技术和恒电流技术
恒电势技术和恒电流技术的基本概念和特点
测量燃料电池的i-V曲线时，需要注意的要点：1）必须保证稳态；2）必须记录测试条件
对稳态的理解
需要记录的重要测试条件
反应物流速控制的两种方法：固定流速条件、固定化学计量条件，其含义
夹持力对电池性能的影响
其他基本知识
常用缩写。