燃料电池(Fuel cell )材料

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化学能
燃料电池
电能
图1-1 燃料电池直接发电与传统间接发电的比较
(2) 燃料电池发展过程中的重大事件
1839年，格罗夫发明“气体伏打电池”，格罗夫也被称 为“燃料电池之父”；
1889年，蒙德和朗格尔改进氢氧“气体电池”并正式确 定其名称为“燃料电池”；
1896年，雅克研制成功第一个数百瓦（大约300瓦）的煤 燃料电池；
1897年，能斯特发明“能斯特物质”----YSZ （化8物5%燃Z料r电O2池+1的5%电Y解2O质3)材,该料物；质是目前广泛使用的高温固体氧
1899年，施密特发明第一个空气扩散电极； 1959年，培根和弗洛斯特研制成功6KW碱性燃料电池系 统,并用来驱动叉车、圆盘锯和电焊机； 1959年，艾丽斯-查尔莫斯公司开发出第一辆碱性燃料电 池拖拉机，可以推动3000lb(1lb=0.4536kg)的重物；
O2 + 4H3O+ + 4e-
6H2O
氧气分子在催化剂的作用下，结合从电解质传递过来
的水合质子以及外电路传递过来的电子，生成水分子。总
的电池反应为：
2H2 + O2
2H2O
从此可以看出，燃料电池是一个能量转化装 置，只要外界源源不断地提供燃料和氧化剂，燃 料电池就能持续发电。
从根本上讲，燃料电池与普通一次电池一样， 是使电化学反应的两个电极半反应分别在阴极和 阳极上发生，从而在外电路产生电流来发电的。 所不同的是，普通一次电池，例如锌锰电池，是 一个封闭体系，与外界只有能量交换而没有物质 交换。换句话说，电池本身既作为能量的转换场 所也同时作为电极物质的储存容器，
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3.1.2 燃料电池的构造 阴极
燃料电池
阳极
电解质
典型的燃料电池的构造如右下图所示．在阳极（负极） 上连续吹充气态燃料，如2氢气．在阴极（正极）上连 续吹充氧气（或由空气提供），这样就可以在电极上连 续发生电化学反应，并产生电流．由于电极上发生的反 应大多为多相界面反应，
为提高反应速率，电极
燃料电池（Fuel cell )材料
介绍内容
3.1，燃料电池介绍 3.2，质子交换膜燃料电池材料 3.3，碱性燃料电池材料 3.4，磷酸型燃料电池材料 3.5，直接醇类燃料电池材料 3.6，熔融碳酸盐燃料电池材料 3.7，固体氧化物燃料电池材料 3.8，金属/空气燃料电池材料 3.9，燃料电池的应用与前景
燃料气（氢气﹑甲烷等）在阳极催化剂的作 用下发生氧化反应，生成阳离子并给出自由电子； 氧化物（通常为氧气）在阴极催化剂的作用下发 生还原反应，得到电子并产生阴离子；阳极产生 的阳离子或者阴极产生的阴离子通过质子导电而 电子绝缘的电解质运动到相对应的另外一个电极 上，生成反应产物并随未反应完全的反应物一起 排到电池外，与此同时，电子通过外电路由阳极 运动到阴极，使整个反应过程达到物质的平衡与 电荷的平衡，外部用电器就获得了燃料电池所提 供的电能。
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。
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。
(2) 燃料电池发展过程中的重大事件
1960年，通用电气公司开发成功质子交换膜燃料电池； 1962年，质子交换膜燃料电池应用于双子星座飞船； 1965年，碱性燃料电池用于阿波罗登月飞船； 1967年，通用汽车开发成功第一辆碱性燃料电池电动汽 车Electrovan； 1970年，科尔地什组装了第一辆碱性燃料电池-铅酸电池 混合动力轿车； 1972年，杜邦公司和格罗特发明了全氟磺酸质子交换膜； 1979年，在美国纽约完成了4.5MW磷酸燃料电池电厂的 测试； 1986年，洛斯阿拉莫斯国家实验室（LANL）开发成功第 一辆磷酸燃料电池公共汽车；
一般采用多孔材料．各
种燃料电池的材料也都
有各自的特点．
燃料电池的基本反应
3.1.3 燃料电池(Fuel Cell)与电池（Battery)的区别
（1）相同点：将化学能转变为电能的装置，有许多 相似之处。
（2）不同点：燃料电池是能量转换装置 电池是能量储存装置。
一次电池：化学能储存在电池物质中, 当电池放电电时,电 池物质发生化学反应，直到反应物质全部反应消耗完毕， 电池就再也发不出电了．所以原电池所发出的最大电能等 于参与电化学反应的化学物质完全反应时所产生的电能．
二次电池：利用外部供给的电能，使电池反应向逆方向进 行，再生成电化学反应物质．从能量角度看，就是将外部 能量充给电池，使其再发电，实现反复使用的功能．
燃料电池：从理论上讲, 只要不断向其供给燃料 (阳极反应物质，如H2), 及氧化剂Hale Waihona Puke Baidu阴极反应物 质实，际如上O，23由)，于就元可件以老连化续和不故断障地等发原电因,，因燃而料其电容池量有是一无定限的的. 寿命．
(2) 燃料电池发展过程中的重大事件
1986年，洛斯阿拉莫斯国家实验室开发成功第一辆磷酸燃 料电池公共汽车；
1988年，第一艘碱性燃料电池潜艇在德国出现； 1991年，日本千叶县的11MW磷酸燃料电池试验电厂达 到设计功率； 1993年，巴拉德电力系统公司开发成功第一辆质子交换膜 燃料电池公共汽车； 1996年，美国加利福尼亚州的2MW 熔融碳酸盐燃料电池 试验电厂开始供电；
下面以简单的酸性电解质氢氧燃料电池为例说明燃料 电池的工作原理。
氢气作为燃料被通入燃料电池的阳极，发生如下氧化 电极反应
H2 + 2H2O
2H3O+ + 2e-
氢气在催化剂上被氧化成质子，与水分子结合成水合
质子，同时释放出两个自由电子。
电子通过电子导电的阳极向阴极方向运动，而水合质 子则通过酸性电解质往阴极方向传递。在阴极上，氧气在 电极上被还原，发生如下电极反应
3.1.燃料电池介绍
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．