燃料电池-课件
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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
PEMFC——燃料电池课件
4）PEMFC效率一般在50％左右，极化主要在氧阴 极，因此扩散层尤其是氧电极的扩散层应是热的良 导体。
5）扩散层材料与结构应能在PEMFC工作条件下保 持
扩散层的上述功能采用石墨化的炭纸或炭布是 可以达到的，但是PEMFC扩散层要同时满足 反应气与产物水的传递，并具有高的极限电流， 则是扩散层制备过程中最难的技术问题。
下图为PEMFC的工作原理示意图。
由图可知，构成PEMFC的关键材料与部件 为电催化剂、电极(阴极与阳极)、质子交换 膜和双极板。
PEMFC中的电极反应类同于其他酸性电解质燃料电 池。阳极催化层中的氢气在催化剂作用下发生电极反 应:
阳极反应： H2 2H 2e
该电极反应产生的电子经外电路到达阴极，氢离子则 经质子交换膜到达阴极。氧气与氢离子及电子在阴极 发生反应生成水。生成的水不稀释电解质，而是通过 电极随反应尾气排出。
交指状流场是一种正在开发的新型流场。它的优 点是强迫反应气流经电极的扩散层强化扩散层的 传质能力，同时将扩散层内水及时排出。
但这种流场在确保反应气在电极各处的均匀分配 与控制反应气流经流场的压力降方面均需深入研 究，并与相应工艺开发相配合。
上述各种流场的脊部分靠电池组装力与电极 扩散层紧密接触，而沟部分为反应气流的通 道，一般沟槽部分面积与脊部分面积之比为 流场的开孔率。
对于PEMFC,由于膜为高分子聚合物,仅靠电池组的组 装力,不但电极与膜之间的接触不好,而且质子导体也无 法进入多孔气体电极的内部。为了实现电极的立体化， 需向多孔气体扩散电极内部加入质子导体（如全氟磺 酸树脂），同时为改善电极与膜的接触，将已加入全 氟磺酸树脂的阳极，隔膜（全氟磺酸膜）和已加入全 氟磺酸树脂的阴极压合在一起，形成了“三合一”组 件（MEA）
5）扩散层材料与结构应能在PEMFC工作条件下保 持
扩散层的上述功能采用石墨化的炭纸或炭布是 可以达到的，但是PEMFC扩散层要同时满足 反应气与产物水的传递，并具有高的极限电流， 则是扩散层制备过程中最难的技术问题。
下图为PEMFC的工作原理示意图。
由图可知，构成PEMFC的关键材料与部件 为电催化剂、电极(阴极与阳极)、质子交换 膜和双极板。
PEMFC中的电极反应类同于其他酸性电解质燃料电 池。阳极催化层中的氢气在催化剂作用下发生电极反 应:
阳极反应： H2 2H 2e
该电极反应产生的电子经外电路到达阴极，氢离子则 经质子交换膜到达阴极。氧气与氢离子及电子在阴极 发生反应生成水。生成的水不稀释电解质，而是通过 电极随反应尾气排出。
交指状流场是一种正在开发的新型流场。它的优 点是强迫反应气流经电极的扩散层强化扩散层的 传质能力，同时将扩散层内水及时排出。
但这种流场在确保反应气在电极各处的均匀分配 与控制反应气流经流场的压力降方面均需深入研 究，并与相应工艺开发相配合。
上述各种流场的脊部分靠电池组装力与电极 扩散层紧密接触，而沟部分为反应气流的通 道，一般沟槽部分面积与脊部分面积之比为 流场的开孔率。
对于PEMFC,由于膜为高分子聚合物,仅靠电池组的组 装力,不但电极与膜之间的接触不好,而且质子导体也无 法进入多孔气体电极的内部。为了实现电极的立体化， 需向多孔气体扩散电极内部加入质子导体（如全氟磺 酸树脂），同时为改善电极与膜的接触，将已加入全 氟磺酸树脂的阳极，隔膜（全氟磺酸膜）和已加入全 氟磺酸树脂的阴极压合在一起，形成了“三合一”组 件（MEA）
PEMFC——燃料电池课件.
由图可知，构成 PEMFC 的关键材料与部件 为电催化剂、电极 ( 阴极与阳极 ) 、质子交换 膜和双极板。
PEMFC 中的电极反应类同于其他酸性电解质燃料电 池。阳极催化层中的氢气在催化剂作用下发生电极反 应: 阳极反应： H 2 2H 2e 该电极反应产生的电子经外电路到达阴极，氢离子则 经质子交换膜到达阴极。氧气与氢离子及电子在阴极 发生反应生成水。生成的水不稀释电解质，而是通过 电极随反应尾气排出。
2.电池组： 电池组的主体为MEA，双极板及相应 可兼作电流导出 板，为电池组的正极；另一端为阳单极板，也可兼作 电流导入板，为电池组的负极，与这两块导流板相邻 的是电池组端板，也称为夹板。在它上面除布有反应 气与冷却液进出通道外，周围还布置有一定数目的圆 孔，在组装电池时，圆孔内穿入螺杆，给电池组施加 一定的组装力。 若两块端板用金属(如不锈钢、铁板、超硬铝等)制作， 还需在导流板与端板之间加入由工程塑料制备的绝缘 板。
质子交换膜燃料电池
1 工作原理
质 子 交 换 膜 型 燃 料 电 池 (Proton exchange membrane fuel cells，PEMFC)以全氟磺酸型固体 聚合物为电解质，铂 / 炭或铂 - 钌 / 炭为电催化剂， 氢或净化重整气为燃料，空气或纯氧为氧化剂， 带有气体流动通道的石墨或表面改性的金属板为 双极板。 下图为PEMFC的工作原理示意图。
流场结够对 PEMFC 电池组至关重要，而且与反应 气纯度、电池系统的流程密切相关。 因此，在设计电池组结构时，需根据具体条件，如 反应气纯度、流程设计（如有无尾气回流，如有， 回流比是多少等）进行化工设计，各项参数均要达 到设计要求，并经单电池实验验证可行后方可确定。
电池组密封： 要求是按照设计的密封结构，在电池组组装力的 作用下，达到反应气、冷却液不外漏，燃料、氧 化剂和冷却液不互窜。
质子交换膜燃料电池PPT课件
05
PEMFC性能评价与测试方 法
PEMFC性能评价指标
输出功率密度
单位面积或单位体积电池的输出 功率，反映电池的能量转换效率
。
开路电压
电池在开路状态下的电压，与电 池内部的电化学反应有关。
电流密度
单位面积电池的输出电流，影响 电池的输出功率和效率。
温度特性
电池在不同温度下的性能表现， 包括启动、运行和关机过程中的 温度变化对电池性能的影响。
笔记本电脑、手机等
PEMFC应用领域及前景
固定式电源
家庭、数据中心等
降低成本
通过研发新材料和工艺，降低 PEMFC成本
PEMFC应用领域及前景
固定式电源
家庭、数据中心等
降低成本
通过研发新材料和工艺，降低 PEMFC成本
PEMFC应用领域及前景
提高耐久性
改进电池结构和材料，提高电池寿命 和稳定性
燃料电池类型及特点
碱性燃料电池（AFC）
采用氢氧化钾溶液作为电解质，具有高效率、低污染等优点，但需要纯净的氢气和 氧气作为燃料和氧化剂，且对二氧化碳敏感。
燃料电池类型及特点
碱性燃料电池（AFC）
采用氢氧化钾溶液作为电解质，具有高效率、低污染等优点，但需要纯净的氢气和 氧气作为燃料和氧化剂，且对二氧化碳敏感。
01
燃料电池概述
01
燃料电池概述
燃料电池定义与原理
燃料电池定义
燃料电池是一种将燃料和氧化剂的化学能直接转换成电能的发电装置。其基本原理是电解水的逆过程，通过向燃 料电池堆输入氢气和氧气（或空气），在催化剂的作用下，经过电化学反应生成水并对外输出电能。
燃料电池工作原理
燃料电池的核心部件是质子交换膜，它只允许质子通过而阻止电子和气体通过。在阳极，氢气在催化剂的作用下 分解成质子和电子，质子通过质子交换膜传递到阴极，而电子则通过外电路传递到阴极，形成电流。在阴极，氧 气与质子和电子结合生成水。
微生物燃料电池课件
2 污水处理
微生物燃料电池可以同时 处理废水和产生电能，实 现高效的污水处理。
3 远程地区供电
微生物燃料电池可以在没 有外部电源的情况下，为 远程地区提供可靠的电力。
微生物燃料电池的优势
可持续性
微生物燃料电池利用有机废料 等资源，具有可持续性和循环 利用的特点。
低排放
与传统能源相比，微生物燃料 电池几乎没有排放有害气体和 污染物。
微生物燃料电池课件
微生物燃料电池是一种能够将有机物质转化为电能的可再生能源技术。通过 利用微生物代谢过程中释放的电子，实现能量的转换。
微生物燃料电池的定义
微生物燃料电池是一种利用微生物来转化有机物质为电能的装置，将化学能 转化为电能的可再生能源技术。
微生物燃料电池的原理
• 微生物通过代谢过程将有机物质氧化，产生电子。 • 电子在电极表面传导，形成电子流。 • 电子流通过外部电路，驱动电子器件工作。 • 电子最终在电极上与氧气还原，完成电化学反应。
灵活性
微生物燃料电池可以适应不同 的环境和能源需求，具有较高 的出能量 微生物选择 系统可靠性
目前微生物燃料电池的输出能量相对较低，需要 进一步提高效率。
不同的微生物对于废料的降解能力和电子转化效 率有所差异，需要筛选合适的微生物。
微生物燃料电池需要保证长期稳定运行，提高系 统的可靠性和实用性。
微生物燃料电池的组成部分
生物阳极
这是一个支持微生物生长和 氧化过程的电极，通常由碳 材料制成。
电解质
电解质用于隔离阳极和阴极， 同时允许离子的传输。
阴极
阴极是电化学反应的场所， 它与阳极连接形成电子流。
微生物燃料电池的应用
1 可再生能源
微生物燃料电池可以将有 机废料转化为电能，提供 可再生的能源。
《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+课件2022-2023学年高二上学期化学苏教版(2019)选择性必修一
交流讨论
结合实验现象，思考下列问题。 (1)连接二极管时，如何判断燃料电池的正、负极？
接通学生电源，两端产生氢气和氧气的体积比为2∶1，由于氢气的体积大， 玻璃导管内的液柱先溢出，作燃料电池的负极。 (2)什么现象可以证明处于不同电极的氢气和氧气发生了反应？ 二极管发光。
批判性思维
我国火力发电供热用煤占全国煤炭生产总量的50%左右，发电效率约40%。同时， 全国大约90%的二氧化硫和80%的二氧化碳的排放量也是由煤燃烧产生的。 目前，我国正在开展整体煤气化熔融碳酸盐燃料电池( IG-MCFC)发电系统的开发 研究，将燃料电池发电技术与整体煤气化联合循环(IGCC)发电技术相结合，该技 术是21世纪洁净煤发电技术的一个重要方向。
方法导引
燃料电池电极反应式的书写方法
以CH4碱性(KOH溶液)燃料电池负极反应式为例：
第一步 确定生成物 CH4―O―→2 HCO2O2―K―O―→H CO23－＋H2O
燃料
e﹣
O2
第二步 确定电子转移和变价元素原子守恒
－4
＋4
C H4－8e－―→ C O23－＋H2O
负极
正极
第三步 第四步
依据电解质性质，用OH－使电荷守恒 CH4－8e－＋10OH－―→CO23－＋H2O 依据氢原子守恒配平H2O的化学计量数
请查阅有关资料和数据，从能量转化、资源 的合理利用、环境保护等角度说明该技术发 展在解决能源问题中发挥的重要作用。
化学·生活
废电池的危害与回收利用
废弃电池中的汞在微生物的作用下，无机汞可以转化成甲基汞， 甲基汞能严重破坏人的神经系统，重者会发疯致死。著名的日 本水俣病就是甲基汞所致。镉能使人的肝和肾受损，也会引起 骨质松软，重者造成骨骼变形。汽车废电池中含有酸和重金属 铅，泄漏到自然界可引起土壤和水源污染，最终对人造成危害。
燃料电池电动汽车课件
优点
③燃料多样化，优化了能源消耗结构。
燃料电池所使用的氢燃料来源广泛，自然界 中，氢能大量存储在水中，可采用水分解制 氢，也可以从可再生能源获得，可取自天然 气、丙烷、甲醇、汽油、柴油、煤以及再生 能源。燃料来源的多样化有利于能源供应安 全和利用现有的交通基础设施（如加油站 等）。燃料电池不依赖石油燃料，各种可再 生能源可以转化为氢能加以有效利用，减少 了对石油资源的依赖，优化了交通能源的构 成。
燃料电池技术虽已取得快速发展，但要使其装载使用达到规模，仍 有一些难题需要解决，例如氢的制取、储存及携带成本高、基础设 施建设投资大等。当前研究和开发工作的重点是降低成本和开发大 规模制造工艺。随着燃料电池的体积功率和质量功率的逐步提高， 生产成本的不断降低，制造材料和工艺的进一步改进和完善，以燃 料电池作动力的汽车将会得到广泛使用。
04
现实事例
丰田Mirai燃料电池汽车
本田Clarity Fuel Cell
丰田Mirai燃料电池汽车——整车
丰田Mirai燃料电池汽车——子系统
01
02
燃料电 储能 池堆 电池
03
04
05
高压储 氢气罐
驱动电机 和FC升压 变频电机
动力控 制装置
燃料电 池堆
丰田Mirai燃料电池汽车—子系统
储能 电池
为了提高效率，Mirai 后备箱中有一块镍氢储 能电池，用于吸收燃料 电池组输出剩余的电能 和车辆行驶过程中回收 的电能，供汽车急加速 或车载电池使用。
丰田Mirai燃料电池汽车—子系统
驱动 电机
动力控 制装置
FC升 压变频
器
TFCS系统中，燃料电池发出的电能 还需要经过升压变频器的升压才能 供给电动机使用，最大输出电压为 650V。
氢燃料电池PPT幻灯片课件
9
氢的制取
电解水制氢
电何处来？
矿物燃料制氢
天然气制氢 醇类制氢 硼氢化物制氢 ·······
生物质气化制氢
垃圾、秸秆、稻草······
太阳能制氢
10
电解水制氢
水电解制氢是目前应用较广且比较成熟的方法之一
提供电能使水分解制得氢气的效率一般在75～85％，其工艺过 程简单，无污染，但消耗电量大，因此其应用受到一定的限制
水电解制氢能耗仍高，一般每立方米氢气电耗为4．5～ 5． 5kWh左右
电能可由各种一次能源提供，其中包括矿物燃料、核能、太阳 能、水能、风能及海洋能等等
11
热化学制氢
当水直接加热到很高温度时，例如3000℃以上，部 分水或水蒸气可以离解为氢和氧
利用太阳能聚焦或核反应的热能
12
光化学制氢
命体等）。 在地球上自然存在的氢的单质（如氢气）数量极少。因此，欲获
得大量的单质氢只有依靠人工制取 天然气、石油、煤炭、生物质能及其他富氢有机物等，都是氢的有
效来源 氢的最大来源是水，特别是海水，根据计算，9吨水可以生产出1
吨氢（及8吨氧），而氢与氧的燃烧产物就是水，因而，水可以再 生。由此可见，以水为原料制氢，可使氢的制取和利用实现良性循 环，真是取之不尽，用之不竭 工业副产氢也是向燃料电池提供燃料的有效途径
5
氢的特点
除核燃料外氢的发热值是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中 最高的，为142,351kJ/kg，是汽油发热值的3倍
氢燃烧性能好，点燃快，与空气混合时有广泛的可燃范围，而且 燃点高，燃烧速度快
氢本身无毒，与其他燃料相比氢燃烧时最清洁，除生成水和少量 氮化氢外不会产生诸如一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物、铅化 物和粉尘颗粒等对环境有害的污染物质，少量的氮化氢经过适当 处理也不会污染环境巨，而且燃烧生成的水还可继续制氢，反复 循环使用
氢的制取
电解水制氢
电何处来？
矿物燃料制氢
天然气制氢 醇类制氢 硼氢化物制氢 ·······
生物质气化制氢
垃圾、秸秆、稻草······
太阳能制氢
10
电解水制氢
水电解制氢是目前应用较广且比较成熟的方法之一
提供电能使水分解制得氢气的效率一般在75～85％，其工艺过 程简单，无污染，但消耗电量大，因此其应用受到一定的限制
水电解制氢能耗仍高，一般每立方米氢气电耗为4．5～ 5． 5kWh左右
电能可由各种一次能源提供，其中包括矿物燃料、核能、太阳 能、水能、风能及海洋能等等
11
热化学制氢
当水直接加热到很高温度时，例如3000℃以上，部 分水或水蒸气可以离解为氢和氧
利用太阳能聚焦或核反应的热能
12
光化学制氢
命体等）。 在地球上自然存在的氢的单质（如氢气）数量极少。因此，欲获
得大量的单质氢只有依靠人工制取 天然气、石油、煤炭、生物质能及其他富氢有机物等，都是氢的有
效来源 氢的最大来源是水，特别是海水，根据计算，9吨水可以生产出1
吨氢（及8吨氧），而氢与氧的燃烧产物就是水，因而，水可以再 生。由此可见，以水为原料制氢，可使氢的制取和利用实现良性循 环，真是取之不尽，用之不竭 工业副产氢也是向燃料电池提供燃料的有效途径
5
氢的特点
除核燃料外氢的发热值是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中 最高的，为142,351kJ/kg，是汽油发热值的3倍
氢燃烧性能好，点燃快，与空气混合时有广泛的可燃范围，而且 燃点高，燃烧速度快
氢本身无毒，与其他燃料相比氢燃烧时最清洁，除生成水和少量 氮化氢外不会产生诸如一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物、铅化 物和粉尘颗粒等对环境有害的污染物质，少量的氮化氢经过适当 处理也不会污染环境巨，而且燃烧生成的水还可继续制氢，反复 循环使用
燃料电池技术及应用PPT课件
• 有害气体ＳＯx、ＮＯx及噪音排放都很低 Ｃ Ｏ2排放因能量转换效率高而大幅度降低，无机 械振动。
• 燃料适用范围广
燃料电池的优点
• 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
再生氢氧电池（AFC）
再生氢氧燃料电池 将水电解技术(电能 +2H2O→2H2+O2)与氢 氧燃料电池技术 (2H2+O2→H20+电能)相 结合 ,氢氧燃料电池的燃 料 H2、氧化剂O2可通 过水电解过程得以“再 生”, 起到蓄能作用。可 以用作空间站电源。
熔融碳酸燃料电池（MCFC）
熔融碳酸盐燃料电池是由 多孔陶瓷阴极、多孔陶瓷电解 质隔膜、多孔金属阳极、金属 极板构成的燃料电池。其电解 质是熔融态碳酸盐。 反应原理示意图如下：
这种燃料电池以甲醇为能量来源。
这种燃料电池以甲醇为能量来源，手机， 笔记本电脑将不再用充电。
固体氧化物燃料电池
• 固体氧化物燃料电池采用固体氧 化物作为电解质，除了高效，环 境友好的特点外，它无材料腐蚀 和电解液腐蚀等问题；在高的工 作温度下电池排出的高质量余热 可以充分利用，使其综合效率可 由50%提高到70%以上； 它的燃 料适用范围广，不仅能用H2，还 可直接用CO、天然气（甲烷）、 煤汽化气，碳氢化合物、NH3、 H2S等作燃料。这类电池最适合 于分散和集中发电。 其工作原理如图所示：
净输出功率100kw最大稳定输出功率120kw峰值输出功率150kw电压300480v可以根据用户要求调整电流0400a能量转化效率4552燃料存储方式高压铝内胆碳纤维缠绕环氧树脂浸渍的储氢罐燃料类型气态氢操作环境温度050相对湿度095工作温度6080工作压力常压物理特性长宽高1040mm680mm690mm2重量560kg不包括驱动电机噪声76db120kw第三代燃料电池大巴发动机30燃料电池的出现与发展将会给便携式电子设备带来一场深刻的革命并且还会波及到汽车业住宅以及社会各方面的集中供电系统
• 燃料适用范围广
燃料电池的优点
• 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
再生氢氧电池（AFC）
再生氢氧燃料电池 将水电解技术(电能 +2H2O→2H2+O2)与氢 氧燃料电池技术 (2H2+O2→H20+电能)相 结合 ,氢氧燃料电池的燃 料 H2、氧化剂O2可通 过水电解过程得以“再 生”, 起到蓄能作用。可 以用作空间站电源。
熔融碳酸燃料电池（MCFC）
熔融碳酸盐燃料电池是由 多孔陶瓷阴极、多孔陶瓷电解 质隔膜、多孔金属阳极、金属 极板构成的燃料电池。其电解 质是熔融态碳酸盐。 反应原理示意图如下：
这种燃料电池以甲醇为能量来源。
这种燃料电池以甲醇为能量来源，手机， 笔记本电脑将不再用充电。
固体氧化物燃料电池
• 固体氧化物燃料电池采用固体氧 化物作为电解质，除了高效，环 境友好的特点外，它无材料腐蚀 和电解液腐蚀等问题；在高的工 作温度下电池排出的高质量余热 可以充分利用，使其综合效率可 由50%提高到70%以上； 它的燃 料适用范围广，不仅能用H2，还 可直接用CO、天然气（甲烷）、 煤汽化气，碳氢化合物、NH3、 H2S等作燃料。这类电池最适合 于分散和集中发电。 其工作原理如图所示：
净输出功率100kw最大稳定输出功率120kw峰值输出功率150kw电压300480v可以根据用户要求调整电流0400a能量转化效率4552燃料存储方式高压铝内胆碳纤维缠绕环氧树脂浸渍的储氢罐燃料类型气态氢操作环境温度050相对湿度095工作温度6080工作压力常压物理特性长宽高1040mm680mm690mm2重量560kg不包括驱动电机噪声76db120kw第三代燃料电池大巴发动机30燃料电池的出现与发展将会给便携式电子设备带来一场深刻的革命并且还会波及到汽车业住宅以及社会各方面的集中供电系统
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。
教学课件 人教版高中化学 选择性必修一 第四章 第一节 第三课时 燃料电池
燃料电池
二、燃料电池类型 版权声明 感谢您下载平台上提供的PPT作品， 为了您 和熊猫 办公以 及原创 作者的 利益， 请勿复 制、传 播、销 售，否 则将承 担法律 责任！ 熊猫办 公将对 作品进 行维权 ，按照 传播下 载次数 进行十 倍的索 取赔偿 ！ 1.在熊猫办公出售的PPT 模板是免版 税类（R F：Ro yalty-Fr e e ） 正版受 《中国 人民共 和国著 作法》 和《世 界版权 公约》 的保护 ，作品 的所有 权、版 权和著 作权归 熊猫办 公所有 ，您下 载的是 P PT 模 板素材 的使用 权。 2.不得将熊猫办公的PPT模板、PPT 素材， 本身用 于再出 售，或 者出租 、出借 、转让 、分销 、发布 或者作 为礼物 供他人 使用， 不得转 授权、 出卖、 转让本 协议或 者本协 议中的 权利。
1.氢氧燃料电池
电池总反应：2H2+O2=2H2O
负极(Pt)：2H2-4e-+4OH-=4H2O 正极(Pt)：O2+ 2H2O +4e-= 4OH-
OH-定向移动到负极， 在正极生成， 在负极消耗
燃料电池
燃料电池的规律 版权声明
感谢您下载平台上提供的PPT作品， 为了您 和熊猫 办公以 及原创 作者的 利益， 请勿复 制、传 播、销 售，否 则将承 担法律 责任！ 熊猫办 公将对 作品进 行维权 ，按照 传播下 载次数 进行十 倍的索 取赔偿 ！ 1.在熊猫办公出售的PPT 模板是免版 税类（R F：Ro yalty-Fr e e ） 正版受 《中国 人民共 和国著 作法》 和《世 界版权 公约》 的保护 ，作品 的所有 权、版 权和著 作权归 熊猫办 公所有 ，您下 载的是 P PT 模 板素材 的使用 权。 2.不得将熊猫办公的PPT模板、PPT 素材， 本身用 于再出 售，或 者出租 、出借 、转让 、分销 、发布 或者作 为礼物 供他人 使用， 不得转 授权、 出卖、 转让本 协议或 者本协 议中的 权利。
燃料电池 课件
表5-2 五种燃料电池特点
种 类 AFC PAFC MCFC SOFC
电解质
电 解 工作温 质 度范围
KO H
低于 260
H3PO4
190～ 210
LiCO3,K2 CO3
600～700
ZrO2+Y2 O3
约1000
腐蚀 中 强 强
无
性
氧化剂 纯氧
空气
极板材料
镍 石墨 镍， 不锈钢
陶瓷
PEMFC 离子交换膜 （特别是阳 离子交换膜）
PAFC MCFC SOFC
可应 航天，特 特殊需求，区域供电，区域供电 用领 殊地面， 区域供电 联合发电 域 广泛
PEMFC
电汽车，潜 艇，可移动 动力源
缺点
需以纯氧 对CO敏 工作温度
做氧化剂；感；
较高
成本高 启动慢； 成本高
工作温度过 高
对CO非常 敏感；
反应物需要 加湿
燃 料 工作 电 温度 池
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。
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
DMFC——燃料电池课件解读
二元催化剂
人们在 Pt 基二元催化剂方面做了大 量的研究,发现 PtRu, PtSn, PtW 和 PtMo 等二元合金催化剂较纯 Pt 催化剂 在甲醇的催化氧化过程中表现出很高的 活性, 特别是具有很好的抗 CO 中毒效 果，且加入第二元合金不影响阳极电极 性能。
阳极催化剂的组成直接影响其性 能.
直接甲醇燃料电池 （Direct Methanol Fuel Cells, DMFC）
1. 概述
进入 20 世纪 90年代， PEMFC 在关键材料与电池 组等方面均取得了突破性进展。但在商业化进程中， 氢源问题一直没有得到解决，氢的供应设施建设投 资巨大，而氢的贮存与运输技术和氢的现场制备技 术等还有待于进一步发展，目前，氢源问题是 PEMFC商业化发展中的主要障碍之一。 因此，以甲醇等醇类直接为燃料的 FC在 20世纪末受 到人们的重视，其中直接甲醇FC（Direct Methanol Fuel Cells, DMFC）已成为研究与开发的热点，并取 得了重要进展。
催化剂的形貌和结构对阳极催化 性能的影响
人们在 Pt 基二元催化剂方面做了大量的研 究, 发现 PtRu, PtSn, PtW 和 PtMo 等二元合金 催化剂较 纯 Pt 催化剂在甲醇的催化氧化过程中表现 出很高 的活性, 特别是具有很好的抗 CO 中毒效果.
根据甲醇与水在电池阳极的进料方式不同，可 将DMFC分为两类：以气态甲醇和水蒸汽为燃 料和以甲醇水溶液为燃料。
作为重要的化工原料和燃料，甲醇可由水煤气或天 然气合成，而且技术和工艺都非常成熟。
甲醇的物理化学性质
不同蓄能介质储存能量比较表
2 工作原理
阳极反应： 阴极反应：
CH3OH H2O CO2 6H 6e
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(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；
(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；
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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
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。
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
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；
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。
燃料电池课件 Fuel cell
主要内容
1. 燃料电池介绍 2. 质子交换膜燃料电池材料 3. 碱性燃料电池材料 4. 磷酸型燃料电池材料 5. 直接醇类燃料电池材料
6. 熔融碳酸盐燃料电池材料 7. 固体氧化物燃料电池材料 8. 金属/空气燃料电池材料 9. 燃料电池的应用与前景
1. 燃料电池介绍
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(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．
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，
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．
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．
热能
动能
传统技术
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；