燃料电池的5种分类
燃料电池简介
2007-2011全球燃料电池发电功率（根据地区划分）
单位：MW
资料来源：Fuel Cell Today
2010年全球各技术类型燃料电池发展状况
根据出货量划分
PEMFC：质子交换膜燃料电池 S O F C：固体氧化物燃料电池 A F C：碱性燃料电池
资料来源：Fuel Cell Today
根据发电功率划分
质子交换膜燃料电池PEMFC
• 质子交换膜燃料电池的关键材料与部件为：1)电催化剂；2)电 极（阴极与阳极）；3）质子交换膜；4）双极板。 • 质子交换膜燃料电池的工作温度约为80℃。在这样的低温下， 电化学反应能正常地缓慢进行，通常用每个电极上的一层薄的 白金进行催化。 • 每个电池能产生约0.7伏的电，足够供一个照明灯泡使用。驱 动一辆汽车则需要约300伏的电力。为了得到更高的电压，将 多个单个的电池串联起来便可形成人们称做的燃料电池存储器。 • 质子交换膜燃料电池PEMFC 以其工作温度低、启动快、能量 密度高、寿命长、重量轻、无腐蚀性、不受二氧化碳的影响， 能量来源比较广泛等优点特别适宜作为便携式电源、机动车电 源和中、小型发电系统。可以考虑用来发展燃料电池汽车 （FCEV）。
……
燃料电池的发展现状
燃料电池可提供多样化的能源解决方案，将来极有可能替代传统的电 源供应装置，如电池、内燃机。燃料电池的应用及其广泛，从家庭供 电供热、移动电子设备供电到汽车动力推进系统。 根据燃料电池的应用方式，一般分为移动型（Portable)、固定型 (Stationary)、交通运输型(Transport)； 2010年，全球燃料电池总出货量同比增长40%，达到了创历史记录 的23万套，其中，移动型燃料电池约占总出货量的95%。值得注意的 是，2010年全球销售的燃料电池中有超过97%使用的是PEMFC，即 质子交换膜燃料电池技术，该类型燃料电池被认为最适合应用于新能 源汽车。
燃料电池的分类及应用
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2.1碱性燃料电池（AFC）
2.1.1 碱性染料电池简介 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，包括航天飞机提供动力和饮用水。 负极反应： O2 + 2 H 2 O + 4e → 4OH − 正极反应： 碱性燃料电池的工作温度大约80℃。因此，它们的启 动也很快，但其电力密度却比质子交换膜燃料电池的密度 低十来倍，在汽车中使用显得相当笨拙。不过，它们是燃 料电池中生产成本最低的一种电池，因此可用于小型的固 定发电装置。 如同质子交换膜燃料电池一样，碱性燃料电池对能污染催 化剂的一氧化碳和其它杂质也非常铭感。此外，其原料不 能含有一氧化碳，因为一氧化碳能与氢氧化钾电解质反应 生成碳酸钾，降低电池的性能。
燃料电池的基本原理
燃料电池的特点 燃料电池的能量转换效率高，不受卡诺效率限制。 清洁、环保。燃料电池不需要锅炉、汽轮机等大型设备、 没有SO x、NO x气体和固体粉尘的排放。 可靠性和操作性良好，噪声低。 所用燃料广泛，占地面积小，建厂具有很大灵活性。
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燃料电池的组成和工作原理 燃料电池的基本组成：阳极、阴极、电解质和 燃料电池的基本组成： 外电路。燃料电池中的电解质有不同的种类。
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2.2质子交换膜燃料电池（PEMFC） 质子交换膜燃料电池（ 质子交换膜燃料电池 ） 2.2．1质子交换膜燃料电池简介 ． 质子交换膜燃料电池简介 质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell，英 文简称PEMFC)是一种燃料电池，在原理上相当于水电解的 “逆”装置。其单电池由阳极、阴极和质子交换膜组成，阳极 为氢燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所，两极都 含有加速电极电化学反应的催化剂，质子交换膜作为电解质。 工作时相当于一直流电源，其阳极即电源负极，阴极为电源正 极。 两电极的反应分别为： 阳极(负极)：2H2-4e=4H+ 阴极(正极)：O2+4e+4H+=2H2O 注意所有的电子e都省略了负号上标。由于质子交换膜只能 传导质子，因此氢质子可直接穿过质子交换膜到达阴极，而电 子只能通过外电路才能到达阴极。当电子通过外电路流向阴极 时就产生了直流电。以阳极为参考时，阴极电位为1.23V。也 即每一单电池的发电电压理论上限为1.23V。接有负载时输出 电压取决于输出电流密度，通常在0.5～1V 之间。将多个单电 池层叠组合就能构成输出电压满足实际负载需要的燃料电池堆 (简称电堆)。 13
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
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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
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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%。
燃料电池简介
燃料电池简介摘要：燃料电池是一种清洁、高效的能源利用方式，本文主要介绍了燃料电池的工作原理、燃料电池的分类和燃料电池的优点，另外，本文还简单的介绍了燃料电池的发展前景。
关键词：燃料电池工作原理固体氧化物燃料电池作为一种新型的发电方式，发展燃料电池对于改善环境, 实施能源可持续发展具有重要意义。
对比于传统的火力发电方式可以大大降低空气污染及解决电力供应、电网调峰问题。
传统的火力发电站的燃烧能量大约有近70%要消耗在锅炉和汽轮发电机这些庞大的设备上，燃烧时还会排放大量的有害物质。
而使用燃料电池发电，是将燃料的化学能直接转换为电能，不需要进行燃烧，没有多余的能量转换过程，理论上能量转换率为100%，实际应用上装置无论大小发电效率可达40%～60%，可以实现直接进入企业、饭店、宾馆、家庭实现热电联产联用，没有输电输热损失，综合能源效率可达80%，装置为积木式结构，容量可小到只为手机供电、大到和火力发电厂相比，应用范围极为广泛。
基于以上这些优点，我们可以看出研究燃料电池是很有必要的。
1、燃料电池的原理燃料电池是一种能量转化装置,它是按电化学原理等温的把贮存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能, 因而实际过程是氧化还原反应, 其工作原理如图1所示。
燃料电池主要由四部分组成, 即阳极、阴极、电解质和外部电路。
燃料气和氧化气分别由燃料电池的阳极和阴极通入。
燃料气在阳极上放出电子, 电子经外电路传导到阴极并与氧化气结合生成离子。
离子在电场作用下, 通过电解质迁移到阳极上, 与燃料气反应,构成回路,产生电流。
同时, 由于本身的电化学反应以及电池的内阻, 燃料电池还会产生一定的热量。
电池的阴、阳两极除传导电子外, 也作为氧化还原反应的催化剂。
当燃料为碳氢化合物时, 阳极要求有更高的催化活性。
阴、阳两极通常为多孔结构, 以便于反应气体的通入和产物排出。
电解质起传递离子和分离燃料气、氧化气的作用。
为阻挡两种气体混合导致电池内短路, 电解质通常为致密结构。
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
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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
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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