燃料电池及其发展PPT精选文档
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精选燃料电池讲解讲义.(ppt)
物质，电池的污染排放极低，是清洁能源； 质量轻、体积小、比功率高(600W／kg)，有较高的电流密度和功
率密度，较小的极化损失和欧姆损失； 不用贵金属，不存在液态电解质腐蚀及封接问题。 替代火力发电，可将发电率由目前的40%左右提高到85%，它易
于实现热电联产。
可用做医院、居民区、矿山等小区域以及军舰等移动目标的供电 电源。
阳极，燃料电极（fuel electrode）:
O2-+CO → CO2+2e- (煤气)
O2-+H2 → H2O+2e-
(氢气)
O2- +CH4 →CO2+H2O （液化气）
多孔阳极 致密电解质
多孔阴极
Pt-Current Collector
Ni/YSZ 10µm
YSZ 6µm
Anode Support Layer (200-250µm)
物理基础
电子电导
电子电导的载流子是电子或空穴(即电子空位)。电子 电导主要发生在导体和半导体中。电子在晶体中的运 动状态用量子力学理论来描述。能带理论指出，在具 有严格周期性电场的理想晶体中的电子和空穴，在绝 对零度下的运动像理想气体分子在真空中的运动一样 ，电子运动时不受阻力，迁移率为无限大。只有当周 期性受到破坏时，才产生阻碍电子运动的条件。电场 周期破坏的来源是:晶格热振动、杂质的引入、位错和 裂缝等。在电子电导的材料中，电子与点阵的非弹性 碰撞引起电子波的散射是电子运动受阻的原因。
4.3.1 SOFC的工作原理
SOFC单电池一般呈三明治结构，又称PEN(Positive-pole ，Electrolyte and Negative-pole)，主要由致密的电解质 、多孔的阳极和阴极组成。
率密度，较小的极化损失和欧姆损失； 不用贵金属，不存在液态电解质腐蚀及封接问题。 替代火力发电，可将发电率由目前的40%左右提高到85%，它易
于实现热电联产。
可用做医院、居民区、矿山等小区域以及军舰等移动目标的供电 电源。
阳极，燃料电极（fuel electrode）:
O2-+CO → CO2+2e- (煤气)
O2-+H2 → H2O+2e-
(氢气)
O2- +CH4 →CO2+H2O （液化气）
多孔阳极 致密电解质
多孔阴极
Pt-Current Collector
Ni/YSZ 10µm
YSZ 6µm
Anode Support Layer (200-250µm)
物理基础
电子电导
电子电导的载流子是电子或空穴(即电子空位)。电子 电导主要发生在导体和半导体中。电子在晶体中的运 动状态用量子力学理论来描述。能带理论指出，在具 有严格周期性电场的理想晶体中的电子和空穴，在绝 对零度下的运动像理想气体分子在真空中的运动一样 ，电子运动时不受阻力，迁移率为无限大。只有当周 期性受到破坏时，才产生阻碍电子运动的条件。电场 周期破坏的来源是:晶格热振动、杂质的引入、位错和 裂缝等。在电子电导的材料中，电子与点阵的非弹性 碰撞引起电子波的散射是电子运动受阻的原因。
4.3.1 SOFC的工作原理
SOFC单电池一般呈三明治结构，又称PEN(Positive-pole ，Electrolyte and Negative-pole)，主要由致密的电解质 、多孔的阳极和阴极组成。
《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)
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
燃料电池概述及其研究进展(ppt 76页)
表3 燃料电池分类及技术比较
按其工作温度分为低温燃料电池和高温燃料电池：
碱性燃料电池（AFC，工作温度为100℃）、 质子膜燃料电池（PEMFC，工作温度为100℃以内） 磷酸型燃料电池（PAFC，工作温度为200℃）
熔融碳酸盐型燃料电池（MCFC，工作温度为650℃） 固体氧化型燃料电池（SOFC，工作温度为1000℃）
按开发时间顺序进行分类： 磷酸型燃料电池称为第一代燃料电池
熔融碳酸盐称为第二代燃料电池 固体氧化物燃料电池称为第三代燃料电池
7、 国外燃料电池总体发展状况
7、 国外燃料电池总的发展状况
发达国家都将大型燃料电池的开发作为重点研究项目， 企业界也纷纷斥巨资从事燃料电池技术的研究与开发， 现在已取得了许多重要成果，使得燃料电池即将取代 传统发电机及内燃机而广泛应用于发电及汽车上。
发电技术： 近期注重提高效率,降低污染; 远期注重可再生能源发电.
发电技术类型：
火力发电 水力发电 核能发电 燃料电池
太阳能发电 风力发电 地热能发电 潮汐发电 生物质发电
火力发电 利用煤、石油和天然气等化石燃料所含能量发电。
发电厂由锅炉、汽轮机、发电机三大主要设备 和相应的辅助设备组成。
2. 中国能源现状
能源储量
据资料显示，截止到2004年底我国：
石油剩余可采储量23亿吨，占世界总量的1.4% 天然气剩余可采储量2.23万亿m3，占世界总量的1.2% 煤炭剩余可采储量1145亿吨，占世界总量的12.6% 水力资源占世界总量的30%
能源结构 (2004年)
表1
中国能源消费与生产结构
实际应用时一般采用表面积大、耐腐蚀性好的 乙炔炭黑或碳等载铂或银；
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。
燃料电池发展历程及研究现状ppt课件
人们研究了以净化重整气为燃料 的磷酸型燃料电池(PAFC，称为 第一代燃料电池)
以净化煤气、天然气为燃料的熔 融碳酸盐型燃料电池(MCFC，称 为第二代燃料电池)
还有固体氧化物电解质燃料电池 (SOFC，称为第三代燃料电池)
完整版PPT课件
19
1993 年
1993 年, 加拿大
Ballard 电力公司展示
[19] 沁 梦 . 诺 基 亚 推 出 使 用 燃 料 电 池 的蓝牙耳机. /information/newproduct/s hownewproduct.asp?id=2635, 2004-07-12
完整版PPT课件
26
直接醇类燃料电池
克莱斯勒公司也生产出时速 可达 35 km h-1 的 DMFC 电动汽车
完整版PPT课件
28
直接醇类燃料电池
3 蒸汽与空气可形成爆炸性物质， 4 需由非再生的化石燃料获得， 5 易通过质子交换膜渗透到阴极[21]等。
这些缺点使得世界各国科学家已开始寻找其 他更好的燃料来代替甲醇。
[21] Fujiwara N, Friedrich K A, Stimming U. Ethanol oxidation on PtRu electrodes studied by differential electrochemical mass spectrometry. Journal of Electroanalytical Chemistry, 1999, 472: 120-125
目前我们所面临的是能源危机和环境污染 等问题。
完整版PPT课件
4
1.1能源问题
燃料电池是直接以化学反应方式将燃料的 化学能转换为电能的能量转换装置，是一 种绿色的能源技术。
以净化煤气、天然气为燃料的熔 融碳酸盐型燃料电池(MCFC，称 为第二代燃料电池)
还有固体氧化物电解质燃料电池 (SOFC，称为第三代燃料电池)
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19
1993 年
1993 年, 加拿大
Ballard 电力公司展示
[19] 沁 梦 . 诺 基 亚 推 出 使 用 燃 料 电 池 的蓝牙耳机. /information/newproduct/s hownewproduct.asp?id=2635, 2004-07-12
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26
直接醇类燃料电池
克莱斯勒公司也生产出时速 可达 35 km h-1 的 DMFC 电动汽车
完整版PPT课件
28
直接醇类燃料电池
3 蒸汽与空气可形成爆炸性物质， 4 需由非再生的化石燃料获得， 5 易通过质子交换膜渗透到阴极[21]等。
这些缺点使得世界各国科学家已开始寻找其 他更好的燃料来代替甲醇。
[21] Fujiwara N, Friedrich K A, Stimming U. Ethanol oxidation on PtRu electrodes studied by differential electrochemical mass spectrometry. Journal of Electroanalytical Chemistry, 1999, 472: 120-125
目前我们所面临的是能源危机和环境污染 等问题。
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4
1.1能源问题
燃料电池是直接以化学反应方式将燃料的 化学能转换为电能的能量转换装置，是一 种绿色的能源技术。
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3、氧气还原
二电子反应途径：一类是氧分子首先得到两个电子还原为 H2O2， 然后再进一步还原为水，常被称为“过氧化氢中间 产物机理”。 四电子反应途径：氧分子连续得到4个电子而直接还原为 水（酸性电解质）或OH-（碱性电解质），常被称为“ 直接还原机理”。
还原过程复杂的原因
⑴ 有4个电子参加反应，在反应历程中往往出现 多种中间产物，因此，催化剂和反应条件不同， 可以有不同的反应机理和控制步骤。 ⑵ 氧还原可逆性很差，氧还原反应的交换电流 密度很小。因此，具有很高的过电势，氧的还原 反应速率很低，杂质影响大。 ⑶ 氧电极反应的电势比较高，大多数金属在水 溶液中不稳定，在电极表面容易出现氧和各种含 氧粒子的吸附，甚至生成氧化膜，使电极表面状 态改变，导致反应历程更为复杂。
燃料电池及其发展
9.1概述
一、工作原理（work principle)
反应物燃料（如H2)与氧化剂（如O2)发生电 化学反应获得电能的装置
1. Structure and reactions
working principle of fuel cell
2. Contrast with conventional chemical batteries
三、FC系统 （Fuel cell systems)
天然气 甲醇 重油 蒸馏油 生物质
……
空气或纯氧
燃料预处理单 元
富氢 气体 燃料电池单元
直流 直交流变换单元
交流
热量管理和控制单元
余热 图9-3 燃料电池发电系统组成
H2的来源
1.电解水 2.重整：用化石燃料及醇类等含氢化合物通过化学 反应制备H2的过程。
1）常规电池 -储能装置
2）燃料电池 -能量转换装置
3. contrast with heat engine热机
热力发电机：燃料—蒸汽—汽轮机—发电机—电能 （40%）
燃料—内燃机—发电机—电能
燃料电池：燃料—燃料电池—电能 （40-60%）
电池反应法拉第效率—副反应 实际输出电压与可逆电势差—极化 生成物为液态—相转变
二、特点（Characteristics)
1.不受卡诺循环限制，能量转换效率高； 2.清洁能源； 3.负载响应速度快； 4.良好的建设、运行和维护特性，应用范围广阔； 5.燃料来源广泛，副产物水和热可回收利用。
不足： 价格昂贵，高温时寿命和稳定性不理想，缺少 完善的燃料供应体系
燃料电池能量效率
燃料电池低噪声
图2-9 电极上的薄膜
高效气体电极——大量薄液膜: 气体容易到达且与本体溶液连通较好
气体扩散电极的基本特点:
极限电流密度比全浸没式电极大为增加
jd
nFDc0
（1）双层电极
电极由金属粉末和适当的发孔性填料分层压制及烧 结制成。靠近气体的一侧是较大孔径的“粗孔层 ”(30-60微米)，靠近电解液的一侧是较小孔径 的“细孔层” (10-20微米)
固态氧化物燃料电池（SOFC） 使用诸如用氧化钇稳定的氧化锆等固态陶瓷电解 质，而不用使用液体电解质。其工作温度位于 800-1000℃之间。 可供工业界用来发电和取暖，同时也具有为车辆 提供备用动力的潜力。
美国加 利福尼 亚的燃 料电池 发电厂
3C Product
Computer, Communication, Consumer Electronic Product （计算机类、通讯类、消费类电子产品）
➢ 高温型 熔融碳酸盐燃料电池（MCFC） 固态氧化物燃料电池（SOFC） (p182 Table 10-2)
五、发展和应用 （development and applications)
碱性燃料电池（AFC） 稳定的氢氧化钾电解质 主要为空间任务，包括航天飞机提供动力和饮用水
磷酸燃料电池（PAFC） 使用液体磷酸为电解质，通常位于碳化硅基质中。 可用作公共汽车的动力，已有许多发电能力为0.2 – 20 MW的工作装置被安装在世界各地，为医院， 学校和小型电站提供动力。
一、 燃料电池极化行为
二、 燃料电池反应机理
1、氢的氧化机理 2、甲醇的氧化机理 3、氧的还原机理
1、氢气的阳极氧化
其具体的反应机理可能有如下几种方式： 在酸性溶液中：
途径一
途径二
在碱性溶液中：
途径一
途径二
2、甲醇的阳极氧化
碳载Pt-Ru二元催化剂目前是直接甲醇燃料电池最成功的催化剂。 其他一些添加金属如Sn、Os、W、Mo等也具有一定的催化活性。
9.2 燃料电池热力学基础
一、 燃料电池电动势
EE0 RTln aH2O
nF
1
P P2 H2 O2
温度系数
E S T P nF
压力系数
E lg
p
T
二、燃料电池效率
电池理论效率：
T
1 TS H
电池实际效率 TVC
电压效率
V
Байду номын сангаасV E
电流效率（法拉第效率） C
i im
9.3 燃料电电化学动力学基础
质子交换膜燃料电池（PEMFC） 电解质是一片薄的聚合物膜，例如聚全氟磺酸
（poly[perfluorosulphonic]acid） Nafion膜， 质子能够渗透但不导电。 汽车和家庭应用的理想能源
直接甲醇燃料电池（DMFC） - 甲醇为燃料
- 适合车载和便携式设备
熔融碳酸盐燃料电池 (MCFC) 使用熔融的锂钾碳酸盐或锂钠碳酸盐作为电解质 。当温度加热到650℃时，这种盐就会溶化. 。 较高的发电效率对于大规模的工业加工和发电气 轮机则具有较大的吸引力。
三、三相多孔电极
气体向电极表面输送过程： （1）气体溶解 （2）气体向电极表面附近的传质过程 （3）气体穿越双电层
气、液、固三相的界面处发生，气体反应的消耗以 及产物的疏散都需要扩散来实现。 扩散是气体电极的重要问题。
1. 气体扩散电极的特点
气体扩散电极的理论基础是“薄液膜理论 ”
图2-8 铂电极从4mol/LH2SO4溶液中 提出对氢氧化电流的影响
甲醇 天然气、丙烷气、丁烷气 汽油、煤油等石油制品 3.煤炭气化 4.从废气、垃圾、家畜粪便中提取甲烷进行重整
四、分类（Classification）
1. 所用燃料：直接型，间接型，再生型 2. 工作温度：低温，中温，高温，超高温 3. 电解质类型：
➢ 低中温型 碱性燃料电池（AFC） 磷酸燃料電池（PAFC） 质子交换膜燃料电池（PEMFC） [直接甲醇燃料电池 （DMFC）]