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%。
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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。