燃料电池分类及工作原理
氢燃料电池工作原理和分类
H 总的化学反应为： 2 1/ 2O2 H2O
电子在外电路形成直流电。因此，只要源源不断 地向燃料电池阳极和阴极供给氢气和氧气，就可以向 外电路的负载连续地输出电能。
氢燃料电池车的工作原理
将氢气送到燃料电池的阳极板(负极)，经过催化剂 (铂)的作用，氢原子中的一个电子被分离出来，失去 电子的氢离子(质子)穿过质子交换膜，到达燃料电池 阴极板(正极)，而电子是不能通过质子交换膜的，这 个电子，只能经外部电路，到达燃料电池阴极板， 从而在外电路中产生电流。电子到达阴极板后，与 氧原子和氢离子重新结合为水。由于供应给阴极板 的氧，可以从空气中获得，因此只要不断地给阳极 板供应氢，给阴极板供应空气，并及时把水(蒸气)带 走，就可以不断地提供电能。
各种氢燃料电池车
一次性加满氢燃料后的最 大行驶里程约为240公里
帕萨特领驭燃料电池轿车
一次加满燃料的 续航里程达 235 公里，最高时速 为 145 公里/小 时。与传统燃料、 汽油等车型相比， 能量转换效率高 达 80%，是普 通内燃机的 3 倍。
这款车搭载最新 e-flex 氢燃料电池驱动系统， 通过氢燃料转化成电能 作为动力。该车一次续 航里程可达 483公里， 百公里加速仅为 8.5 秒。 上市时间 2011 年。
以质子交换膜燃料电池（PEMFC）为例，其工作原理 如下：
(1) 氢气通过管道或导气板到达阳极； (2) 在阳极催化剂的作用下，1 个氢分子解离为 2 个氢质子，并释放出 2 个电子，阳极反应为：
H2 2H 2e
(3) 在电池的另一端，氧气（或空气）通过管道或 导气板到达阴极，在阴极催化剂的作用下，氧分子和 氢离子与通过外电路到达阴极的电子发生反应生成水，
燃料电池分类及其工作原理
燃料电池分类及其工作原理《燃料电池分类及其工作原理》燃料电池（Fuel Cell）是一种新型的能源转换装置，通过将燃料与氧气的化学反应转化为电能，实现能源的高效利用。
燃料电池被广泛运用于交通工具、移动电源、以及工业生产中等各个领域。
本文将介绍燃料电池的分类及其工作原理。
燃料电池可以根据其工作温度和所采用的电解质种类进行分类。
按照工作温度分，燃料电池主要分为低温燃料电池和高温燃料电池两大类。
低温燃料电池是在100°C以下工作温度下运行的，常见的低温燃料电池有质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）和直接甲醇燃料电池（Direct Methanol Fuel Cell，DMFC）。
高温燃料电池则是在800°C以上工作温度下运行的，其中最常见的是磷酸燃料电池（Phosphoric Acid Fuel Cell，PAFC）和碳酸盐燃料电池（Carbonate Fuel Cell，MCFC）。
质子交换膜燃料电池是一种基于质子导电机制工作的燃料电池。
它由质子交换膜、阳极、阴极和电子导电材料等组成。
当燃料流经阳极时，发生氧化反应，产生质子和电子。
质子通过质子交换膜传输到阴极一侧，而电子则通过外部电路传输，形成电流。
在阴极侧，氧气和质子发生还原反应，生成水和热。
这些反应产生的电能可以用于驱动电动车或供电其他设备。
直接甲醇燃料电池是一种将甲醇直接转化为电能的燃料电池。
它与质子交换膜燃料电池类似，但在阳极上加入了甲醇转化催化剂。
甲醇在阳极上被氧化成二氧化碳和水，并释放出质子和电子。
质子穿过质子交换膜到达阴极一侧，电子则通过外部电路传输，产生电流。
在阴极侧进行还原反应，生成水和热。
直接甲醇燃料电池可直接使用液态甲醇作为燃料，具有简单、方便的优势。
磷酸燃料电池是高温燃料电池的一种，它采用磷酸作为电解质。
它由贵金属催化剂的阳极和阴极，以及磷酸电解质组成。
燃料电池能斯特方程
燃料电池能斯特方程一、燃料电池简介1.1 什么是燃料电池燃料电池是一种将化学能直接转化为电能的设备，其工作原理是通过将氢气或可燃气体与氧气反应来产生电能。
燃料电池具有高效率、无污染、低噪音等优点，被广泛应用于交通工具、航空航天、电力供应等领域。
1.2 燃料电池的分类根据不同的工作原理和使用的燃料，燃料电池可以分为多种类型，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。
二、能斯特方程的基本原理2.1 能斯特方程的定义能斯特方程（Nernst equation）是描述燃料电池电动势与各种参量之间关系的方程，由德国物理学家瓦尔特·能斯特在19世纪末提出。
能斯特方程可以用来计算燃料电池的电动势、电流密度等参数。
2.2 能斯特方程的数学表达式能斯特方程的数学表达式如下所示：E = E0 - (RT / nF) * ln(Q)其中，E为燃料电池的电动势，E0为标准电动势，R为气体常数，T为温度，n为电子转移数，F为法拉第常数，Q为反应物浓度比。
三、能斯特方程的应用3.1 燃料电池的电动势计算通过能斯特方程，可以计算燃料电池在不同条件下的电动势。
其中，标准电动势E0是在标准条件下测量得到的，可以用来比较不同燃料电池的性能。
3.2 燃料电池的极化特性能斯特方程还可以用来描述燃料电池的极化特性。
随着燃料电池工作时间的增加，电动势会逐渐降低，这种现象称为极化。
能斯特方程可以用来计算极化的速率，帮助优化燃料电池的设计和运行条件。
3.3 燃料电池的效率分析通过能斯特方程，可以计算燃料电池的效率。
燃料电池的效率定义为输出电能与输入燃料化学能之间的比值。
能斯特方程可以帮助我们理解燃料电池效率与温度、浓度等因素的关系，从而优化燃料电池的工作条件，提高效率。
四、能斯特方程的局限性4.1 假设条件限制能斯特方程是在一定的假设条件下推导出来的，例如理想气体状态、恒定温度等。
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。
燃料电池工作原理、分类及组成_图文
磷酸 (PAFC)
电解质
KOH
含氟质子交换膜
H3PO4
阳极
Pt/C
Pt/C
Pt/C
阴极
C(含觸煤)
流动离 子
操作温 度 可用 燃料
特性
OH-
室温~100℃
精炼氢气 电解副产氢气 1.需使用高纯度氢
气做燃料 2.低腐蚀性及低温
较易选择材料
Pt/C
H+
室温~80℃
天然气、甲醇 汽油
1.功率密度高， 体积小，重量轻 2.低腐蚀性及低溫 ，较易选择材料
当采用甲醇水溶液作燃料时，DMFC的核心部件MEA阳 极侧是浸入甲醇水溶液中的，加之在DMFC工作时， 又有C02的析出；而阴极侧，排水量也远大于电化学 反应生成水，不管是气化蒸发以气态排出，还是靠 毛细力渗透到扩散层外部被气体吹扫以液态排水， 均会对电极与膜之间结合界面产生一定分离作用力。
因此，在制备DMFC的MEA时，与PEMPC的MEA相比，要改 进结构与工艺，增加MEA的电极与膜之间的结合力，防 止MEA在电池长时间工作时膜与电极分离、增加欧姆极 化，大幅度降低电池性能，严重时导致电池失效。
根据电池工作温度不同，AFC系统可分为中温型与 低温型两种。
前者以培根中温燃料电池为代表，它由英国培根 (F．T．Bacon)研制，工作温度约为523K，阿波罗 登月飞船上使用的AFC系统就属于这一类型。
低 温 型 APC 系 统 的 工 作 温 度 低 于 373K ， 是 现 在 AFC系统研究与开发的重点。
因此与PEMFC相比，DMFC阴极侧不但排水负荷增 大，而且阴极被水掩的情况更严重，在设计DMFC 阴极结构与选定制备工艺时必须考虑这一因素。
正因为如此，在至今评价DMFC时，阴极氧化剂(如 空气中氧)的利用率均很低，其目的是增加阴极流 场内氧化剂的流动线速度，以利于向催化层的传质 和水的排出，但这势必增加DMFC电池系统的内耗， 这是研究高效大功率DMFC电池系统时必须解决的 技术问题。
燃料电池的应用领域
燃料电池的应用领域一、燃料电池的基本原理燃料电池是一种将化学能直接转化为电能的设备，其基本原理是利用氢气和氧气在催化剂的作用下发生氧化还原反应，产生水和电能。
燃料电池具有高效、清洁、静音等特点，是一种新型的能源转换设备。
二、燃料电池的分类根据不同的工作原理和使用场景，燃料电池可以分为以下几类：1.质子交换膜燃料电池（PEMFC）：主要用于车辆动力系统、舰船动力系统等领域。
2.固体氧化物燃料电池（SOFC）：主要用于发电、工业加热等领域。
3.碱性燃料电池（AFC）：主要用于空间站、卫星等领域。
4.直接甲醇燃料电池（DMFC）：主要用于便携式设备、无人机等领域。
三、燃料电池的应用领域随着技术的不断进步和环保意识的提高，燃料电池在各个领域得到了广泛的应用，以下是燃料电池的主要应用领域：1.交通运输领域燃料电池汽车是目前最为成熟的应用领域之一。
由于其具有零排放、高效、静音等特点，被视为未来汽车发展的方向。
目前，世界各大汽车厂商均在积极开发燃料电池汽车，并推出了相关产品。
2.能源领域燃料电池可以直接将化学能转化为电能，因此被广泛应用于发电和工业加热等领域。
固体氧化物燃料电池是其中最为常见的一种类型，可用于发电站、工业加热等场景。
3.便携式设备领域直接甲醇燃料电池是一种便携式设备常用的能源来源。
相对于传统锂离子电池，其具有更长的续航时间和更快的充电速度，因此被广泛应用于无人机、便携式充电器等场景。
4.航空航天领域由于空间站和卫星等设备需要长期运行而无法进行加油换气等操作，因此燃料电池被广泛应用于航空航天领域。
碱性燃料电池是其中最为常见的一种类型。
四、燃料电池的优势相对于传统的化石能源和锂离子电池，燃料电池具有以下优势：1.高效：燃料电池直接将化学能转化为电能，效率高达50%以上，远高于传统发动机和锂离子电池。
2.清洁：燃料电池只产生水和少量氧气，不会产生任何有害气体和颗粒物，因此对环境无任何影响。
3.静音：由于没有内燃机的噪音和振动，燃料电池汽车非常静音。
燃料电池简介PPT课件
燃料
高纯H2
H2
H2
H2-CO CH4
H2-CO CH4
氧化剂
高纯O2
空气
空气
空气+CO2
空气
电解质
KOH
H3PO4 质子交换膜 (K,Li)2CO3 Y2O3,ZrO2
阳极催化剂
Pt
阴极催化剂
Pt
Pt
Pt
Pt
Pt
CHENLI
Ni
Ni, ZrO2
NiO
La-SrMnO2
6
燃料电池的分类
按燃料电池所用原始燃料的类型，可大致 分为
CHENLI
3
燃料电池的基负极和夹在正负极中间的电解质板所组 成。工作时向负极供给燃料（氢），向正极供给氧化剂（空气）。氢在负极 分解成正离子H+和电子e-。氢离子进入电解液中，而电子则沿外部电路移向 正极。在正极上，空气中的氧同电解液中的氢离子吸收抵达正极上的电子形 成水。
采用200℃高温下的磷酸作为其电解质
熔融碳酸盐型燃料电池（Molten Carbonate Fuel Cell,MCFC）
采用熔融态碳酸盐作为其电解质
固体氧化物型燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell,SOFC）
采用固态电解质
固体聚合物燃料电池（Solid Polymer Fuel Cell,SPFC,又称为质子交换膜 燃料电池，Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC）
氢燃料电池
通用汽车公司已研制成功使用液氢燃料电池产生动 力的零排放概念车“氢动一号”，该车加速快，操 作灵活，从0~100km/h加速仅16秒，最高时速可达 140km/h，续驰里程400km。
燃料电池
4燃料电池的现状
目前，使用燃料电池面临的主要问题： 1 燃料问题 氧气可以直接从空气中获得，比较省 力；氢气则需要消耗电能以电解水或在催化剂的作 用下重组碳氢化合物这两种方法获取。但也有人认 为氢可以从天然气中产生，其成本同生产汽油相当。 如将燃料电池高效率因素考虑进来，使用氢将比汽 油更加经济。 2 安全问题 氢气是易燃气体，使用时要防止泄露， 爆炸等危险情况的发生。 阻碍燃料电池推广应用的关键问题还有成本高、 寿命短、体积大等，归根结底还是技术问题。
2.4溶化的碳酸盐燃料电池 (molten carbonate fuel cell--MCFC)
溶化的碳酸盐燃料电池与上述讨论的燃料电池差异较 大，这种电池不是使用溶化的锂钾碳酸盐就是使用锂钠碳酸 盐作为电解质。当温度加热到650℃时，这种盐就会溶化， 产生碳酸根离子，从阴极流向阳极，与氢结合生成水，二氧 化碳和电子。电子然后通过外部回路返回到阴极，在这过程 中发电。 CO32 + H 2 → H 2O + CO 2 + 2e 阳极反应： 2CO 2 + O 2 + 4e → 2CO 3 2 阴极反应： 这种电池工作的高温能在内部重整诸如天然气和石油 的碳氢化合物，在燃料电池结构内生成氢。且白金催化剂可 用廉价的一类镍金属代替，其产生的多余热量还可被联合热 电厂利用。这种燃料电池的效率最高可达60%。 这种电池需要较长的时间方能达到工作温度，因此不能 用于交通运输。
直 接 燃 料 电 池 混 合 动 力 系 统 结 构
5.2燃料电池汽车的特点
1、效率高 燃料电池汽车路试时可以达到40~50%的效率而 普通汽车只有10~16%。燃料电池汽车总效率比 混合动力汽车也要高。 2、环保 燃料电池电动汽车仅排放热和水——高效、环境 友好的清洁汽车。 3、可持续发展 燃料电池可节省石油。目前令全世界对石油的依 存度，超过警戒线30%，预计2020年>60%。
燃料电池工作原理分类与组成
燃料电池工作原理分类与组成燃料电池是一种利用氢气和氧气等氧化还原反应来产生电能的装置。
燃料电池的主要工作原理是通过在阳极处将氢气氧化生成正电荷和电子，并在阴极与氧气发生还原反应，最终生成水等产品。
这些正电荷和电子通过外部电路流动形成电流，从而产生电能。
燃料电池根据其工作原理和使用的燃料类型可以分为几类，如下所述：1.PEMFC（质子交换膜燃料电池）：质子交换膜燃料电池是应用最广泛的燃料电池类型之一、它使用质子交换膜作为电解质，经过氢气在阳极侧的氧化反应和氧气在阴极侧的还原反应来产生电能。
2.SOFC（固体氧化物燃料电池）：固体氧化物燃料电池使用固体氧化物作为电解质，能够直接使用多种燃料，如氢气、甲烷等。
它的工作温度较高，通常在600-1000摄氏度之间。
3.PAFC（酸性聚合物燃料电池）：酸性聚合物燃料电池使用酸性聚合物作为电解质，通常使用磷酸作为载体。
它的工作温度较低，通常在100摄氏度左右，能够适应快速启动和负载变化。
4.AFC（碱性燃料电池）：碱性燃料电池使用碱性溶液作为电解质，如氢氧化钾溶液等。
它的工作温度通常较低，可达到70-90摄氏度，但对于氧气的阻挡效果较差。
燃料电池通常包括以下基本组成部分：1.电解质：燃料电池的核心是电解质，它能够传导正电荷和阻挡负电荷，以实现电化学反应。
电解质可以是质子交换膜、固体氧化物、酸性聚合物等。
2.阳极：阳极是氧化反应发生的地方。
在质子交换膜燃料电池中，阳极通常是由贵金属催化剂（如铂）覆盖的碳纳米管或碳纤维纸等。
3.阴极：阴极是还原反应发生的地方。
在质子交换膜燃料电池中，阴极通常也是由贵金属催化剂（如铂）覆盖的碳材料等。
4.电子导体：为了让电子能够负载流动，电子导体通常是由碳纤维、金属等材料制成。
5.燃料供应系统：燃料电池需要燃料供应系统来提供氢气或其他燃料。
这包括储氢罐、燃料处理系统等。
6.氧气供应系统：燃料电池还需要氧气供应系统来提供氧气。
这包括空气处理系统、气泵等。
燃料电池的工作原理和分类
燃料电池的工作原理和分类燃料电池（Fuel Cell，FC）是一种将氢气与氧气反应产生电能的化学电源，它通过将燃料（如氢气、甲醇、乙醇等）与氧气经过电化反应产生电能，是一种高效、清洁、无污染的能源转换技术。
燃料电池的工作原理是将氢气通过阳极从燃料电池进入电解质层，同时让氧气通过阴极接触电解质层，这样氢气经过堆中催化剂的作用与氧气氧化反应形成水，同时释放出电子，从而产生电能。
燃料电池的分类主要有以下几种：1、聚合物电解质膜燃料电池（PEMFC）聚合物电解质膜燃料电池是燃料电池中使用最广泛的一种类型，也是最具有商业化前景的燃料电池。
它采用一种聚合物电解质膜作为电解质，在膜中间为阳极和阴极分别分布两边，并在两面贴合有催化剂的电极，由于聚合物电解质膜可以通过水分子进行质子传输，所以也称为质子交换膜燃料电池。
PEMFC 的优点是启动快、反应迅速、效率高，具有能量密度高、容量大、重量轻等特点，可以在低温下运行，所以被广泛应用于汽车动力系统等领域。
2、固体氧化物燃料电池（SOFC）固体氧化物燃料电池是一种以固态材料作为电解质的燃料电池，其电解质层一般采用氧离子传递材料，电极上面涂有催化剂，将氢气从阳极侧注入，氧气从阴极侧流入，反应时释放出电子和氧离子。
SOFC 的优点是电池效率高、燃料适应性强、发电环境友好等。
缺点是启动时间较长，高温下稳定性难以保证，体积较大，制造成本高等。
3、碳酸盐燃料电池（MCFC）碳酸盐燃料电池是将燃料和氧气通过催化剂反应产生电能，并且在电解质层内引入一些碳酸盐，通过扭曲形成碱性环境来促进反应的进行，同时能够达到能量的高效利用。
DMFC 的优点是可以直接使用常温常压的甲醇溶液作为燃料，体积小，重量轻，但功率输出低，效率低。
缺点是甲醇的毒性大，制造成本高等。
总的来说，不同类型的燃料电池各有特点，在不同的应用领域可以灵活选择，燃料电池的应用前景十分广阔。
燃料电池
五、固体氧化物燃料电池（SOFC）
3、固体氧化物燃料电池的特点 固体氧化物燃料电池除了具体燃料电池的一般优点外，它还具有以下特点： （1）对燃料的适应性强，能在多种燃料包括碳基燃料的情况下运行； （2）不需要使用贵金属催化剂； （3）使用全固态组件，不存在对漏液、腐蚀的管理问题； （4）积木性强，规模和安装地点灵活等。 固体氧化物燃料电池与磷酸型燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池相比有以下优点： （1）较高的电流密度和功率密度； （2）阳、阴极极化可忽略，彼化损失集中在电解质内阻降； （3）可直接使用氢气、烃类(甲烷)、甲醇等作燃料，而不必使用贵金属作催化剂； （4）避免了中、低温燃料电池的酸碱电解质或熔盐电解质的腐蚀及封接问题；
一、燃料电池类型
1）燃料供应系统。 燃料供应系统主要任务就是给燃料电池提供燃料。 2）氧化剂系统。 氧化剂系统主要给燃料电池提供氧气。可以从空气中获取氧气或从氧气罐中获取氧气，空气需 要用压缩机来提高压力，以增加燃料电池反应的速度。在燃料电池系统中，配套压缩机的性能有特 定的要求，压缩机质量和体积会增加燃料电池发动机系统的质量、体积和成本，压缩机所消耗的功 率会使燃料电池的效率降低。空气供应系统的各种阀、压力表、流量表等的接头要采取防泄漏措施 。在空气供应系统中还要对空气进行加湿处理，保证空气有一定的湿度。 3）发电系统。 发电系统是指燃料电池本身，它将燃料和氧化剂中的化学能直接变成电能，而不需要经过燃烧 的过程，它是一个电化学装置。
新能源汽车技术
——冷却系统
——燃料电池
2课时
提出任务
作为一名汽车专业的学生，你知道燃料电池有哪些类型及工 作原理？
燃料电池
燃料电池的类型 不同燃料电池的结构及工作原理
本节 重点
（1）了解燃料电池类型； （2）知道碱性燃料电池（AFC）的基本结构 与工作原理； （3）知道质子交换膜燃料电池（PEMFC）的 基本结构与工作原理； （4）知道固体氧化物燃料电池（SOFC）的基 本结构与工作原理。
燃料电池的分类及发展
3
燃料电池的工作原理（以氢氧磷酸型电池为例）
（1）氢气在阳极催化剂的作用下，发生下列阳极反应：
H2 2H2e
（2）氢离子穿过电解质到达阴极。电子则通过外电路及负 载也达到阴极。在阴极催化剂的作用下，生成水反应式为：
2H2e1 2O2H2O
（3）综合起来，氢氧燃料电池中总的电池反应为：
▪ 3、Patience is bitter, but its fruit is sweet. (Jean Jacques Rousseau , French thinker)忍耐是痛苦的，但它的果实是甜蜜的。10:516.17.202110:516.17.202110:5110:51:196.17.202110:516.17.2021
3. 按燃料类型分。 3.1氢燃料电池 3.2甲烷燃料电池 3.3甲醇燃料电池 3.4乙醇燃料电池
6
▪
9、要学生做的事，教职员躬亲共做； 要学生 学的知 识，教 职员躬 亲共学 ；要学 生守的 规则， 教职员 躬亲共 守。2021/6/292021/6/29Tuesday, June 29, 2021
13、He who seize the right moment, is the right man.谁把握机遇，谁就心想事成 。2021/6/292021/6/292021/6/292021/6/296/29/2021
▪
14、谁要是自己还没有发展培养和教 育好， 他就不 能发展 培养和 教育别 人。2021年6月 29日星 期二2021/6/292021/6/292021/6/29
2H 2O 22H 2O
伴随着电池反应，电池向外输出电能。只要保持氢气和氧气 的供给，该燃料电池就会连续不断地产生电能。
燃料电池工作原理、分类及组成
电解质材料
• PAFC的电解质是浓磷酸溶液。磷酸在常温下导电性小，在高温
下具有良好的离子导电性，所以PAFC的工作温度在200℃左右。 磷酸是无色、油状且有吸水性的液体，它在水溶液中可离析出 导电的氢离子。浓磷酸（质量分数为100%）的凝固点是42℃， 低于这个温度使用时，PAFC的电解质将发生固化。而电解质的 固化会对电极产生不可逆转的损伤，电池性能会下降。所以 PAFC电池一旦启动，体系温度要始终维持在45℃以上。
位与Pt/C或Pt电催化剂作用下发生电化学氧化，并 与氧的电化学还原构成短路电池，在阴极产生混合 电位。
甲醇经膜的这一渗透，不但导致氧电极产生混合电 位，降低DMFC的开路电压，而且增加氧阴极极化和
降低电池的电流效率。
不同浓度下和负荷条件下
甲醇渗透的变化
DMFC与PEMFC不同点
1）由甲醇阳极氧化电化学方程可知，当甲醇阳极氧化时，不但
在过去相当长的一段时期内，AFC系统的研究范围
涉及不同温度、燃料等各种情况下的电池结构、材
料与电性能等。
根据电池工作温度不同， AFC 系统可分为中温型与
低温型两种。
前者以培根中温燃料电池为代表，它由英国培根
(F ． T ． Bacon) 研制，工作温度约为 523K ，阿波罗 登月飞船上使用的AFC系统就属于这一类型。
隔膜材料
• PAFC的电解质封装在电池隔膜内。隔膜材料目前采用微孔结构隔膜， 它由SiC和聚四氟乙烯组成，写作SiC-PTFE。新型的SiC-PTFE隔膜 有直径极小的微孔，可兼顾分离效果和电解质传输。 • 设计隔膜的孔径远小于PAFC采用的氢电极和氧电极（采用多孔气体 扩散电极）的孔径，这样可以保证浓磷酸容纳在电解质隔膜内，起 到离子导电和分隔氢、氧气体的作用。隔膜与电极紧贴组装后，当
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
燃料电池常见分类方式
燃料电池常见分类方式
燃料电池常见分类方式
燃料电池是一种把化学能转换成电能的能源转换器。
特别是采用氢和氧的燃料
电池具有高效率，清洁和可持续的特点，受到了越来越多的关注和发展。
燃料电池可以分为三个类别，即电化学燃料电池，金属氧化物燃料电池和直接燃料电池。
第一类是电化学燃料电池，其基本原理是将化学能直接转换成电能。
它具有较
高的效率和可靠性，可以用于无污染发电。
典型的电化学燃料电池分为阴极反应型和阳极反应型，常见的有燃料电池、燃料堆和锂-空气电池。
第二类是金属氧化物燃料电池，它比电化学燃料电池技术更发达。
它通常由阳极，阴极和电解质构成，利用金属氧化物和氧气反应来发电。
它是一种低温（低温）电池，热释电性能好，但制作和维护成本较高，有一定的安全隐患。
典型的金属氧化物燃料电池包括燃料电池膜电池，空气电池，锂空气电池，铅-酸电池。
第三类是直接燃料电池，它可以自发的直接将固体燃料转变为电能。
它可以实
现高效的热解，没有污染，回收率高，抗腐蚀性能好。
任何一种以有机物为原料的直接燃料电池都有一定的安全性舆广泛使用，典型的直接燃料电池有木颗粒电池、生物柴油电池、气体燃料电池和甲醇燃料电池等。
综上所述，燃料电池可以从多个方面来分类，它们可以分为电化学燃料电池，
金属氧化物燃料电池和直接燃料电池三大类。
在实际的应用中，应根据实际的需要来选择正确的类型，以便更好地发挥燃料电池的优势。
燃料电池的分类及应用
燃料电池的分类及应用燃料电池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。
燃料电池汽车的工作原理是：使作为燃料的氢在汽车搭载的燃料电池中，与大气中的氧发生化学反应，产生出电能发动电动机，由电动机带动汽车中的机械传动结构，进而带动汽车的前后方向轴、后桥等行走机械结构，转动车轮驱动汽车。
与传统汽车相比，燃料电池车优点突出，主要为零排放或近似零排放，燃料来源广泛，减少了机油泄露带来的水污染，降低了温室气体的排放，提高了燃油经济性，环境适应性强，提高了发动机燃料效率且运行平稳、无噪声，成为近年来研究的热点。
1 燃料电池的由来年英国william robert grove展开水的电解实验，将水水解为氢气和氧气，由此想起其逆反应，并使氢气和氧气反应就有可能产生电。
为证实这一理论，他将两条白金拎分别放进两个密封瓶中，一个瓶中装有氢气，一个瓶中装有氧气，当把这两个密封瓶放进吸收的硫酸溶液中时，电流已经开始在两个电极之间流动，瓶中分解成了水。
为提高电压，他将四组装置串联出来，这就是全世界普遍认为的第一个燃料电池。
2 燃料电池的优缺点燃料电池具备非常独有的优点，主要整体表现在：能量转变效率高，可以轻易将化学能转变为电能;运转稳定、并无噪声;零排放或对数零排放，增加了机油泄漏增添的水污染，减少了温室气体的排放量;提供更多的动力可以随时怠速，可以通过掌控燃料同时实现。
虽然燃料电池有着独特的优势，但其自身也存在一些严重的不足：成本昂贵;燃料的存储困难，一般是使用氢气做燃料，氢气的体积能量密度较低，且具有一定的安全隐患，导致存储异常困难;对工作环境的要求高，对温度、环境的洁净度等也有较高要求。
基于燃料电池以上的特点，燃料电池在新能源客车的批量应用领域除了很长一段路必须跑，只有从技术上化解这些瓶颈问题，燃料电池车就可以以求批量推展。
3 燃料电池的分类燃料电池按电解质类型分成质子互换膜燃料电池、液态氧化物燃料电池、碱性燃料电池、磷酸盐燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池等。
(完整版)试简述五大类燃料电池的工作原理和各自的特点
三、试简述五大类燃料电池的工作原理和各自的特色燃料电池按燃料电解质的种类来分类的，可分为碱性燃料电池（AFC）、磷酸燃料电池（ PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池 (MCFC) 、固体氧化物燃料电池 (SOFC)和质子互换膜燃料电池 (PENFC)五大类。
3.1 碱性燃料电池（ AFC ）碱性燃料电池是该技术发展最快的一种电池，主要为空间任务，包含航天飞机供给动力和饮用水。
.1 原理使用的电解质为水溶液或稳固的氢氧化钾基质，且电化学反响也与羟基（OH）从阴极挪动到阳极与氢反响生成水和电子略有不一样。
这些电子是用来为外面电路供给能量，而后才回到阴极与氧和水反响生成更多的羟基离子。
负极反响： 2H2 + 4OH-→ 4H2O + 4e-正极反响： O2 + 2H2O + 4e-→ 4OH-碱性燃料电池的工作温度大概80℃。
所以，它们的启动也很快，但其电力密度却比质子互换膜燃料电池的密度低十来倍，在汽车中使用显得相当蠢笨。
不过，它们是燃料电池中生产成本最低的一种电池，所以可用于小型的固定发电装置。
好像质子互换膜燃料电池同样，碱性燃料电池对能污染催化剂的一氧化碳和其余杂质也特别敏感。
别的，其原料不可以含有一氧化碳，因为一氧化碳能与氢氧化钾电解质反响生成碳酸钾，降低电池的性能。
.2 特色低温性能好，温度范围宽，并且能够在较宽温度范围内选择催化剂，可是才用的碱性电解质易受 CO2的毒化作用所以一定要严格出去 CO2，成本就偏高。
3.2 磷酸燃料电池（ PAFC）磷酸燃料电池（ PAFC）是目前商业化发展得最快的一种燃料电池。
正如其名字所示，这类电池使用液体磷酸为电解质，往常位于碳化硅基质中。
磷酸燃料电池的工作温度要比质子互换膜燃料电池和碱性燃料电池的工作温度略高，位于150 - 200℃左右，但仍需电极上的白金催化剂来加快反响。
其阳极和阴极上的反响与质子互换膜燃料电池同样，但因为其工作温度较高，所以其阴极上的反响速度要比质子互换膜燃料电池的阴极的速度快。
燃料电池工作原理分类及组成
燃料电池工作原理分类及组成燃料电池是一种利用化学能直接转化为电能的设备，其工作原理是将氢气和氧气在电化学反应过程中进行氧化还原反应，从而产生电流和水。
燃料电池通常由电极、电解质和催化剂组成。
根据电解质的不同，燃料电池可分为酸性燃料电池、碱性燃料电池、固体氧化物燃料电池等。
酸性燃料电池以氢气作为燃料，通过氢气在电解质中的氧化还原反应来产生电流。
常见的酸性燃料电池有质子交换膜燃料电池（PEMFC）和直接甲醇燃料电池（DMFC）。
质子交换膜燃料电池将质子（氢离子）通过质子交换膜传递，利用钯和白金等催化剂催化氢气和氧气的反应来产生电流，主要用于汽车和小型电子设备。
直接甲醇燃料电池将甲醇直接反应产生电流，由于甲醇的可液化性和储存性能较好，可以直接使用甲醇作为燃料，常用于小型便携式电子设备。
碱性燃料电池以氢气或氢氧化钠溶液作为燃料，通过氢气和氧气的氧化还原反应来产生电流。
碱性燃料电池广泛应用于航空航天领域和舰船动力系统中。
碱性燃料电池的主要特点是反应速度较快，能够在较低温度下工作，具有较高的电化学效率和较长的寿命。
固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种高温燃料电池，以氢气、天然气或其他可燃气体作为燃料，并通过固体氧化物电解质传递氧分子来进行反应。
该类型的燃料电池工作温度高达800-1000摄氏度，具有较高的转化效率和多燃料适应性。
由于高温运行，SOFC需要较长的预热时间和多种复杂材料，因此用途受限，主要用于工业领域的发电和电力系统。
无论是哪一种类型的燃料电池，其组成主要包括两个电极和一个电解质。
电极分为阳极和阴极，阳极与燃料接触，阴极与氧气接触。
阳极上通常采用负载有催化剂的多孔材料，催化剂能够促进燃料的氧化反应。
阴极上也采用催化剂，通常是负载有白金等贵金属的碳载体。
电解质通常是一种特殊的膜或固体材料，用于阻止电子通过，只允许离子通过，实现阳离子和阴离子之间的传导。
电解质的选择和设计对于燃料电池性能至关重要。
除了以上组成部分，燃料电池还需要辅助部件，如电流收集器、冷却系统、气体输送系统等。
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一、燃料电池的工作原理
燃料电池是用一种特定的燃料，通过一种质子交换膜（PEMProtonExchangeMembrane）和催化层（CLCatalystLayer）而产生电流的一种装置，这种电池只要外界源源不断地供应燃料（例如氢气或甲醇），就可以提供持续电能。
它的工作原理，是利用一种叫质子交换膜的技术，使氢气在覆盖有催化剂的质子交换膜作用下，在阳极将氢气催化分解成为质子，这些质子通过质子交换膜到达阴极，在氢气的分解过程中释放出电子，电子通过负载被引出到阴极，这样就产生了电能。
在阳极经过质子交换膜和催化剂的作用，在阴极质子与氧和电子相结合产生水。
也就是说燃料电池内部的氢与空气中的氧进行化学反应，生成水的过程，同时产生了电流，也可以理解为是电解水的逆反应。
燃料电池在阳极除供应氢气外，同时还收集氢质子（H＋），释放电子；在阴极通过负载捕获电子产生电能。
质子交换膜的功能只是允许质子H＋通过，并与阴极中的氧结合产生水。
这种水在反应过程中的温度作用下，以水蒸气的形式散发在空气中（对汽车用的大功率燃料电池就要设置水的回收装置）。
注意，用氢作燃料电池所生成的是纯净水可以饮用，而用甲醇作燃料生成的水溶液中可能产生甲醛之类有毒物质不能饮用。
图1为燃料电池工作原理的示意图。
二、燃料电池的分类
由于人们是从不同角度来研究和开发燃料电池的，所以其种类也繁多，但目前主要有3种。
1 质子交换膜技术
质子交换膜技术（或者称聚合物电解液膜技术）——简称PEMFC （ProtonExchangeMembreneFuelCell）。
由于它能提供比传统锂离子电池大约高出5～10倍的能量密度，比甲醇燃料电池也有更高的能量密度，所以，人们都看好质子交换膜技术的氢燃料电池，虽然它还存在着储存及安全等问题，但人们正在克服它，最终有望在3～5年实现可存储在像打火机大小的容器中，充一次氢气发电可供手机使用几天，它将是未来便携式电子产品供电系统的首选。
2 直接甲醇燃料电池
直接甲醇燃料电池——简称DMFC（DirectMethanolFuelCell）。
它是以甲醇为燃料，通过与氧结合产生电流的，优点是直接使用甲醇，省去了氢的生产与存储，因为，在汽车上早已使用甲醇溶液作为挡风玻璃的刮洗液了，故不存在安全问题。
但甲醇存在泄漏问题，虽然用水稀释可以解决，但是电解效率却大大降低，目前正在解决渗漏问题。
3 直接乙醇燃料电池
直接乙醇燃料电池——简称DEFC（DirectEthanolFuelCell）。
为避免甲醇的渗漏问题，而采用乙醇，它也是由两个电极、燃料及电解液组成的。