燃料电池 +基础理论动力学 + 热力学+研究方法
燃料电池的电化学和热力学特性研究
燃料电池的电化学和热力学特性研究燃料电池是一种基于电化学技术的能源转换系统，可以将化学反应产生的能量转化成电能和热能。
它不仅可以提供清洁的、高效的能源，还可以减少对环境的影响。
在燃料电池中，燃料和氧气在电极上发生反应，产生电子和离子。
这些电子在外部电路中流动，产生电流；而离子则通过电解质膜传递到另一端，与另一端的氧气反应，生成水和热能。
本文将探讨燃料电池的电化学和热力学特性研究。
燃料电池的电化学特性研究燃料电池的电化学特性主要包括电极反应动力学和离子传输动力学。
电极反应动力学是指燃料电池中电极上发生的化学反应速率和反应机理。
在燃料电池中，贵金属催化剂通常用于促进电极上的反应，如在氢氧燃料电池中，铂是一种常用的催化剂。
铂能够加速氢分子在电极上的氧化反应，同时加速氧分子在电极上的还原反应，从而促进燃料电池的反应速率。
离子传输动力学是指离子在电解质膜和电极之间的传输方式和传输速率。
电解质膜是燃料电池中重要的组成部分，它能够将电子和离子分离，从而保证燃料电池的正常工作。
在燃料电池中，高效的电解质膜能够提高离子传输速率，从而提高燃料电池的效率和性能。
近年来，很多学者致力于电解质膜的研究，尝试发现更好的电解质材料以提高燃料电池的性能和降低成本。
燃料电池的热力学特性研究燃料电池的热力学特性主要包括燃料和氧化剂的热值及其燃烧产物的热值、燃料电池系统的热收支平衡等。
在燃料电池中，燃料和氧化剂通常是氢气和氧气，它们的热值与其燃烧产物的热值有关。
需要注意的是，燃料电池中反应产生的热能需要平衡燃料电池系统的热收支平衡，否则会影响燃料电池的效率和寿命。
由于燃料电池技术尚未成熟，其中很多科学问题仍需要深入研究。
例如，如何提高燃料电池的效率和寿命，以及如何降低燃料电池的成本等。
目前科学家正在尝试利用新材料和新技术来解决这些问题，如非贵金属催化剂、低成本的电解质材料和复合材料等。
这些新材料和新技术的应用将有助于提高燃料电池的效率和性能，从而推动清洁能源的发展。
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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1. 电化学极化(活化极化) 任何电极过程均包含一个或多个质点接受或 失去电子的过程，由这一过程引起的极化称之 为电化学过电位或活化过电位。 它发生在电极表面上，当电化学反应有缓慢 的电极动力学过程控制时，即电化学极化与电 化学反应速度有关。 与 一 般 化学反应 一 样 ，电化学反应的 进行 也 必须克服称 之 为 活 化能的能 垒 - 即 反应 阻 力。
单位时间内物质的转化量：
21
与化学反应 速 度 定义一 样 ，电化学反应 速 度 v 定义为
d (∆m) dQ v= = ke = ke I dt dt
即电流强度 I 可以表示任何电化学反应的速度，这也 适合于FC。 如F表示1法拉第常数的电量，则 I/nF（n为反应转移 的电子数）是用物质的量表示的电化学反应速度。
燃料电池技术 第2章 燃料电池基础理论与研究方法
6
燃料电池对外做电功 外做电功， ，燃烧和爆炸对外则不做 非体积功。 非体积功 。显然燃料电池对外做的功大于 简单 的燃烧，而他对外的发热要小于燃烧。 燃料电池 直 接 将 化学能 转变为 电能 电能， ， 而不需要 像 燃 烧先转换为 热能。 热能 。 电能到 其他形式 的能的 利用效率可以高达100 100% %，而 热能的利用由于热 机的局限， 限，效率较低。
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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吉布斯自由能与反应自发性的关系
△G＞0，非自发； △G＝0，平衡； △G＜0，自发。
燃料电池技术
第2章 燃料电池基础理论与研究方法
8
无论是燃烧、爆炸还是发电，各种过程 的 焓变△Ｈ 、 熵变△ S和吉布斯自由能 变△G都是相同的。 燃料电池中 “ Gibbs 自由能 ” 的 概念很 重要。其定义为：在等温、等压过程中， 可用于外部工作的非体积功。 “外部工作”包括沿外部电路移动电子。
燃料电池_+基础理论动力学_+_热力学+研究方法共167页
31、只有永远躺在泥坑里的人，才不会再掉进坑里。——黑格尔 32、希望的灯一旦熄灭，生活刹那间变成了一片黑暗。——普列姆昌德 33、希望是人生的乳母。——科策布 34、形成天才的决定因素应该是勤奋。——郭沫若 35、学到很多东西的诀窍，就是一下子不要学很多。——洛克
燃料电池_+基础理论动力学_+_热力学+ 研究方法
1、合法而稳定的权力在使用得当时很 少遇到 抵抗。 ——塞 ·约翰 逊 2、权力会使人渐渐失去温厚善良的美 德。— —伯克
3、最大限度地行使权力总是令人反感 ；权力 不易确 定之处 始终存 在着危 险。— —塞·约翰逊 4、权力会奴化一切。——塔西佗
燃料电池技术的研究
燃料电池技术的研究燃料电池作为一种新型清洁能源，一直备受关注，因为其高效，环保，安全，便携等特点被广泛研究和应用。
本文将从燃料电池技术的基本原理、分类、现状和未来发展等方面进行探讨。
一、燃料电池技术的基本原理燃料电池是一种通过氢气、甲烷等可燃气体在催化剂的作用下与氧气反应产生电能的装置。
其基本原理是将氢气和氧气在负极和正极分别与催化剂反应，产生电子和离子，然后经过电解质膜相互作用，形成更加强大的电流，最终通过外部电路输出电能，同时排放的是水和二氧化碳等无害物质。
二、燃料电池技术的分类燃料电池可根据不同的电解质材料、质子、电子传导方式或氢气的供应来源等，分类为聚合物电解质燃料电池（PEFC）、固体氧化物燃料电池(SOFC)、直接甲醇燃料电池(DMFC)、碘液流电池(ILFC)、固体聚合物碱性燃料电池(SAFC)、甲烷燃料电池等。
其中聚合物电解质燃料电池应用最广泛，主要由聚合物电解质层、阳极、阴极、气体扩散层、双极板等构成，常用于汽车、船舶、飞机、军事等领域。
而固体氧化物燃料电池则用于能量输出更大的领域。
三、燃料电池技术的现状目前，燃料电池技术已经进入实际应用阶段。
许多车辆制造商正在加紧推进燃料电池汽车的开发和测试，并已经在全世界范围内进行了一系列的试验和上路测试。
燃料电池还在船舶、家庭、通讯、航空、军事等领域得到广泛应用。
然而，燃料电池技术还面临一些挑战。
例如，材料成本高，氢气的储存和运输成本也很高，燃料电池的寿命和稳定性也需要进一步改善，并且大规模商业应用时需要建立完善的基础设施。
四、燃料电池技术的未来发展随着环保理念在社会中的不断普及和燃料电池技术的不断成熟，燃料电池的应用前景十分广阔。
未来，随着技术的不断进步，燃料电池设备的成本和使用寿命也将会得到更进一步的提升。
同时，新型材料的开发和使用、更加高效的催化剂以及氢气的制备、储存和供应技术的提升，都将对燃料电池技术未来的发展做出贡献。
总之，燃料电池技术作为一种清洁、高效和可靠的能源，是未来能源发展的趋势。
燃料电池的原理和研究进展
燃料电池的原理和研究进展燃料电池是一种新型电化学能源转换设备，通过将氢气或含氢化合物与氧气反应，产生电能的同时释放水和热能。
它被认为是未来能源的一个重要方向，因为它具有高效、环保、可再生等特点，并能在移动设备、汽车、船舶等多个领域得到广泛应用。
本文将介绍燃料电池的原理和研究进展。
一、燃料电池的原理燃料电池是一种将化学能直接转化为电能的装置。
它的基本原理是氢气或含氢化合物与氧气在催化剂的帮助下发生氧化还原反应，产生电流和水。
燃料电池通常包括四个主要部分：正极、负极、电解质和催化剂。
电极通常是由铂、铑等贵金属制成的，以提高化学反应速率。
在电解质中，离子与电子之间发生传递，产生电荷变化，形成电流。
而催化剂则作为化学反应的催化剂，在化学反应中起到加速反应的作用。
不同种类的燃料电池有着不同的原理。
例如，质子交换膜燃料电池（PEMFC）采用质子交换膜作为电解质，氢气通过阳极加入，与催化剂反应产生电流；同时氧气通过阴极加入，在与阳极产生的质子结合后产生水。
固体氧化物燃料电池（SOFC）则采用固态氧化物作为电解质，在高温下实现有氧氧化反应。
二、燃料电池的研究进展燃料电池的研究始于19世纪，但至今仍面临着许多技术难题。
主要问题在于制造成本高、催化剂活性不高、寿命短、燃料电池使用过程中会产生二氧化碳等有害气体等。
近年来，关于燃料电池的研究也取得了一系列的突破。
1、芳香性单体复合材料催化剂芳香性单体复合材料是一种新型有机-无机材料，可用于燃料电池的催化剂。
研究人员发现，该材料的催化活性是传统的铂催化剂的2.5倍以上，而制造成本却只有其一半。
这一技术突破，为新能源领域的可持续发展提供了更为广阔的空间。
2、高效金属有机框架材料金属有机框架材料（MOF）是一种由金属离子和有机配体组成的陈列结构材料。
研究人员发现，该种材料能够作为燃料电池催化剂，具有优异的催化活性和稳定性，能够提高燃料电池的效率与使用寿命。
此外，该种材料通过合成方法可以进行精确控制，还具有高比表面积和可控的孔结构等特点。
燃料电池热力学
燃料电池热力学引言燃料电池是一种将化学能直接转化为电能的装置，具有高效、环保、静音等优点，被广泛应用于交通运输、能源存储等领域。
燃料电池的工作原理涉及热力学的相关概念和原理，本文将深入探讨燃料电池热力学的基本概念、方程式和应用。
燃料电池基本概念燃料电池是一种通过氧化还原反应将燃料和氧化剂直接转化为电能的装置。
燃料电池通常由阴极、阳极和电解质三部分组成。
其中，阴极是氧化剂的电极，阳极是燃料的电极，电解质用于阻止阴极和阳极之间的直接接触。
燃料电池热力学方程燃料电池的工作过程涉及到化学反应，因此热力学方程对于理解燃料电池的工作原理非常重要。
以下是几个与燃料电池热力学相关的方程：1.燃料电池的电动势（E）可以通过以下方程计算： E = E0 - (RT/nF) *ln(Q) 其中，E0是标准电动势，R是理想气体常数，T是温度，n是电子转移数，F是法拉第常数，Q是反应的电子转移数比。
2.燃料电池的功率密度（P）可以通过以下方程计算： P = E * I 其中，E是电动势，I是电流。
3.燃料电池的效率（η）可以通过以下方程计算：η = (P / (nF * Q *V_fuel)) * 100% 其中，P是功率密度，n是电子转移数，F是法拉第常数，Q是反应的电子转移数比，V_fuel是燃料的体积。
燃料电池热力学应用燃料电池热力学的应用广泛，以下是几个常见的应用领域：1.交通运输：燃料电池在汽车、公交车和火车等交通工具中的应用可以减少尾气排放和噪音污染，提高能源利用效率。
2.能源存储：燃料电池可以将电能转化为化学能进行储存，用于太阳能和风能等不稳定能源的储备。
3.科研实验：燃料电池可以作为实验室中的电源，为各种实验提供稳定的电能。
4.航空航天：燃料电池在航空航天领域的应用可以减轻飞机和航天器的重量，提高续航能力。
总结燃料电池热力学是理解燃料电池工作原理的基础，通过热力学方程可以计算燃料电池的电动势、功率密度和效率等参数。
燃料电池技术的研究和应用分析
燃料电池技术的研究和应用分析第一章：燃料电池技术的基本原理燃料电池（Fuel cell）是一种将化学能直接转化为电能的高效能源转换设备，其能源来源是氢气或氢气与氧气的混合物，而不是传统燃烧能源如烟煤、石油和天然气等。
与传统化石燃料相比，燃料电池具有高能量利用率、无排放、低噪音、模块化设计等优点，逐渐受到人们的重视和广泛应用。
燃料电池系统主要由燃料电池、质子交换膜、氢气储氮罐、氧气储氮罐、氧化还原催化剂和电子控制系统等部分组成。
燃料电池工作原理上来看，能以氢气等可再生能源作为燃料的原因在于氢气的电子与质子的离子迁移过程非常自然，进而让燃料电池发电产生电流。
且因氢气的纯度要求高，燃烧产物只有水，氢能够利用生产水和热，不会产生二氧化碳。
因此，燃料电池不会污染环境，是一种绿色能源技术。
第二章：燃料电池技术的发展历程燃料电池的历史可以追溯到19世纪，当时人们发现在产生电压的时候，“Nascent hydrogen”原子处在活跃状态，可与氧分子反应产生电阻。
一直到1839年，Kirchhoff和Bunsen首先利用吸附原理制备半导体，他们通过将电解质液体固定到带有铂电极的棉花中，使其生成水和氧吸附原子。
这种方法已经可以产生稍微强一些的电流（10mA），但利用不广泛。
1900年H.Richardson和P.T.Moody在进行的实验中发现，使用铂和红色润湿了的铂来催化电极则可以引发燃料电池反应，但是以铂电极丝作为工作电极的电池需要的电流太大，且铂电极的成本昂贵，难以普及。
1940年，Francis Bacon在金纯度为99.98％时得到了更好的结果，并发展了带有氢气阀的氢燃料电池。
到了1950年代，“发电电池”和燃料电池可以用于航空和船舶，且利用丙烷在发电电池上技术已经比使用氢气实现更为稳定。
20世纪80年代以后，燃料电池技术迎来了两次飞跃式的发展，第一次是由于原魏玛共和国内的一种化学反应被发现，能够关键地进一步促进燃料电池技术；第二次则是由于亚洲金融危机。
燃料电池反应机理和动力学研究
电极反应动力学模型：描述电极反 应动力学的数学模型
电极反应动力学的实验研究方法
燃料电池放电测试：通过测量燃料电池在不同条件下的放电性能，研究电极反应动力学。
电化学阻抗谱分析：通过测量电极的电化学阻抗谱，分析电极反应的动力学过程。
循环伏安法：通过在电极上施加一系列电压扫描，研究电极反应的动力学过程和反应机理。
汽车行业：除了电动汽车外，燃料电池还可以应用于公共汽车、出租车等公共交通工具，减少尾气 排放和改善空气质量。
航空航天：燃料电池在航空航天领域也有应用，如卫星、火箭推进器等。
燃料电池的发展趋势与前景展望
燃料电池技术不断进步，成本逐渐降低，性能不断提升。 燃料电池应用领域不断扩大，包括汽车、无人机、便携式电源等。 政府支持力度加大，推动燃料电池产业发展，未来市场潜力巨大。
燃料电池的电极反应
燃料电池的电极反应是 燃料电池工作的核心过 程，涉及到氧化还原反 应的进行和电子的转移。
电极反应分为阳极反应 和阴极反应，阳极反应 是燃料氧化过程，阴极 反应是氧化剂还原过程。
电极反应的速率受电极 材料、电解质性质、反 应物浓度和温度等因素 影响。
电极反应的效率直接影响 燃料电池的性能和效率， 因此研究电极反应机理对 于提高燃料电池性能具有 重要意义。
计时电流法：通过测量电极在不同时间点的电流响应，研究电极反应的动力学过程和反应机 理。
电极反应动力学的研究进展
近期研究：重点在于电极反 应动力学模型的开发和应用
研究难点：电极反应动力学 过程的复杂性和多因素影响
早期研究：主要关注反应机 理和反应速度常数
未来展望：提高电极反应动力 学的理解和控制，优化燃料电
燃料电池的效率影响因素
反应动力学：反应速率和反应路径对燃料电池效率的影响 电极材料：电极材料的性质和结构对燃料电池效率的影响 燃料和氧化剂：燃料和氧化剂的浓度和纯度对燃料电池效率的影响 温度和压力：温度和压力对燃料电池效率的影响
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A — 与流体接触的壁面面积 m2
t w —20固20/体6/6壁表面温度 C
t —. 流体温度 C
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3 热辐射(Thermal radiation)
(1) 定义：有热运动产生的，以电磁波形式传递能量的现象 (2) 特点：a 任何物体，只要温度高于0 K，就会不停地向
周围空间发出热辐射；b 可以在真空中传播；c 伴随能量形
热基本定律，是一个一维稳态
t
dx
dt 0
Q
x
导热。其中：
图1-2 一维稳态平板内导热
：热流量，单位时间传递的热量[W]；q：热流密度，单
位时间通过单位面积传递的热量；A：垂直于导热方向的
截面积[m2]；：导热系数（热导率）[W/( m K)]。
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2 对流（热对流）(Convection)
热力学中工质的热力状态参数之一。在可 逆微变化过程中，熵的变化等于系统从热 源吸收的热量与热源的热力学温度之比， 可用于度量热量转变为功的程度。
任一时刻边界面周围流体的温度和表面传热系数
tf, h
牛顿冷却定律： qw h(twtf )
傅里叶定律： qwtnw
qw
t n w h (tw tf)
导热微分方程式的求解方法
积分法、杜哈美尔法、格林函数法、拉普拉斯 变换法 、分离变量法、积分变换法、数值计算法
导热微分方程＋单值性条件＋求解方法 温度场
式的转变；d 具有强烈的方向性；e 辐射能与温度和波长均
有关；f 发射辐射取决于温度的4次方。 (3) 生活中的例子：
a 当你靠近火的时候，会感到面向火的一面比背面热；
b 冬天的夜晚，呆在有窗帘的屋子内会感到比没有窗帘时
要舒服； c 太阳能传递到地面 d 冬天，蔬菜大棚内的空气温度在0℃以上，但地面却可能
(3)导热的特点：a 必须有温差；b 物体直接接触；c
依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而传递
热量；d 在引力场下单纯的导热只发生在密实固体
中。
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(4)导热的基本定律： 1822年，法国数学家Fourier:
ΦAdt W
dx
qΦdt
A dx
W m2
上式称为Fourier定律，号称导
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内能（U）
系统的内能通常是指全部分子的动能 以及分子间相互作用势能之和，前者包括 分子平动、转动、振动的动能，后者是所 有可能的分子对之间相互作用势能的总和。
内能是态函数。真实气体的内能是温 度和体积的函数。理想气体的分子间无相 互作用，其内能只是温度的函数。
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无相变：强迫对流和自然对流
有相变：沸腾换热和凝结换热
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(4) 对流换热的基本计算公式——牛顿冷却公式
Φ h(tA w t )W
qΦ A
h(tw tf ) Wm2
— 热流量[W]，单位时间传递的热量
Convection heat transfer
coefficient
q — 热流密度 Wm2 h — 表面传热系数 W(m 2K)
[导入与导出净热量] + [内热源发热量] = [热力学能的增加]
1、导入与导出微元体的净热量
d 时间内、沿 x 轴方向、经 x 表面导入的热量：
d Q x q xd y d zd [J]
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４、边界条件
说明导热体边界上过程进行的特点 反映过程与周围环境相互作用的条件
边界条件一般可分为三类：（Boundary conditions） 第一类、第二类、第三类边界条件
（１）第一类边界条件
已知任一瞬间导热体边界上温度值： t s t w
s — 边界面; tw = f (x,y,z) — 边界面上的温度 稳态导热： tw = const
非稳态导热： tw = f ()
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（2）第二类边界条件 已知物体边界上热流密度的分布及变化规律：
q s
qwf(r,)
(1)定义：流体中（气体或液体）温度不同的各部分之 间，由于发生相对的宏观运动而把热量由一处 传递到另一处的现象。
(2) 对流换热：当流体流过一个物体表面时的热量传递 过程，他与单纯的对流不同，具有如下特点：
a 导热与热对流同时存在的复杂热传递过程 b 必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动；也
必须有温差 c 壁面处会形成速度梯度很大的边界层 (3)对流换热的分类
qw
根据傅里叶定律：
qw
(
t n
)n
(
t n
)n
qw
第二类边界条件相当于已知任何时刻物体边界 面法向的温度梯度值
稳态导热： qw const 非稳态导热： qw f ( )
特例：绝热边界面： qw n tw0 n tw0
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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（3）第三类边界条件 当物体壁面与流体相接触进行对流换热时，已知
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热力学第一定律
热力学第一定律 ：也叫能量不灭原理，就 是能量守恒定律。 dU = dQ-dW 对于机械功：dW =pdV 所以：
dU = dQ- pdV
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熵（entropy）
物理学上指热能除以温度所得的商，标志 热量转化为功的程度。科学技术上用来描 述、表征体系混乱度的函数。
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内能（U）
广义地说，内能是由系统内部状况决定的 能量。热力学系统由大量分子、原子组成，储存 在系统内部的能量是全部微观粒子各种能量的总 和，即微观粒子的动能、势能、化学能、电离能、 核能等等的总和 。
由于在系统经历的热力学过程中，物质的 分子、原子、原子核的结构一般都不发生变化， 即分子的内部能量保持不变。
结冰。
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传热过程和传热系数
1 传热过程的定义：两流体间通过固体壁面进行的换热 2 传热过程包含的传热方式： 导热、对流、热辐射
辐射换热、 对流换热、 热传导
图1－8 墙壁的散热
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在导热体中取一微元体 热力学第一定律：
QUW W 0, Q U
d 时间内微元体中：
燃料电池热力学
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1
热量传递的三种基本方式
热量传递的三种基本方式：导热(热传导)、对流(热对流) 和热辐射。
1 导热（热传导）(Conduction)
(1)定义：指温度不同的物体各部分或温度不同的两物体
间直接接触时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒
子热运动而进行的热量传递现象 (2)物质的属性：可以在固体、液体、气体中发生