燃料电池简介ppt课件
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燃料电池专业知识 ppt课件
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气体扩散层GDL (gas diffusion layer)
作用：传质，导电，传热，支持催化层，导水 要求：高孔隙率，接触电阻小，内阻小，导热好，稳定性高不降解，强度高 材料：石墨化碳纸或碳布
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流场板FP （Flow Plate）
对于水冷流场，又称为双极板Bipolar-plate 作用：气体分配，集流，导热，密封 要求：重量小，高电导，高热导，耐腐蚀，耐压，低成本 材料：石墨，合金
燃料电池专业知识
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1
第一章 燃料电池原理和构成
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2
什么是燃料电池
定义： 燃料电池(Fuel Cell)是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接
转化为电能的发电装置。
燃料
氧化剂
电能
其他？
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3
Hydrogen
Fuel Cell
Oxygen Heat
Electric power
增程器 动力电池
电能
电机
机械能
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150~200公里
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23
整车 控制系 统
动力电池
燃料 电池
DC/DC
电机 控制 器
储氢 供氢系 统
车辆 附件总 成 燃料 电池附 件
驱动 电机
驱动桥
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DCDC
DC：直流电，direct current AC：交流电，Alternating current DCDC：直流到直流变换器，主要是将某个直流电压转化至另一个直流电压。 解决两个设备电压不匹配的问题。
作为锂离子电池负极材料-钛酸锂（区别于石墨），可与锰酸锂、三元材料或 磷酸铁锂等正极材料组成电池。
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 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。
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》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
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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。
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；.
5
1.2燃料电池的分类
根据其电解质的不同，燃料电池可分为5大类型： 1. 聚合物电解质膜燃料电池（PEMFC） 2.磷酸盐燃料电池（PAFC） 3.碱性燃料电池（AFC） 4.熔融碳酸盐燃料电池（MCFC） 5.固体氧化物燃料电池（SOFC）
；.
6
1.2燃料电池的分类
；.
7
1.4燃料电池的优点
16 公斤（35 磅）重的 UATC（包含了 6 公斤有效载荷）可通过燃料电 池动力系统实现 6 小时飞行，其而没有毒气的排放。
；.
19
谢谢
；.
20
；.
15
PEMFC的结构
电解质膜非常薄 电解质膜两边是一层薄的催化剂
和多孔的碳电极支撑材料。 形成 电极-催化剂-膜-催化剂-电极
结构。
结构示意图
；.
16
PEMFC的优缺点
优点：
1.在所有燃料电池类型中功率密度最高； 2.有好的开关能力； 3.低温度工作环境使之适合便携式应用。 缺点：
1.电池材料成本高； 2.需要良好的动态水管理； 3.对CO和S的容忍度很差
发电效率高 环境污染小 比能量高 噪音低 燃料范围广 负载调节灵活，可靠性高
；.
8
2.燃料电池反应动力学
定义：对燃料电池反应过程的研究。 目的：解释燃料电池的反应过程如何导致性能损失。
；.
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
9
活化能垒
；.
10
Butler-Volmer方程 阐述电化学反应产生的电流随活化过电势的变化。
燃料电池
；.
1
1.燃料电池的概述
燃料电池（full Cell）是一种将持续供给的燃料和氧化剂中的化学能连 续不断地直接转化为电能的电化学装置。
燃料电池在原理和结构上和普通电池（battery）完全不同。燃料电池 的活性物质是存储在电池之外，只要不断地供给燃料和氧化物就一直 能发电，因而容量是无限的。而电池的容量是有限的，活性物质一旦 消耗完，电池的寿命就终止。
；.
17
4.燃料电池的应用
2017年10月12日，陆地方舟新型氢电混合燃料电池客车在第十二届深 圳国际物流与交通运输博览会(简称“物博会”)上正式发布，新车为 8.3米考斯特车型，加氢5分钟，充电12分钟，续航可达550km，该车 也是我国发布的首台8米考斯特车型氢燃料电池客车。
；.
18
垂直起降长续航燃料电池监测无人机亮相2017智慧城市峰会。
；.
11
Butler-Volmer方程函数曲线
由图可以看出，如果我们 想从电池中获得更多电流， 就必须以损失电压为代价
；.
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影响燃料电池性能的因素
活化过电势对燃料电池性能的影响
；.
13
如何改善动力学性能
；.
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3.质子交换膜燃料电池
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。其电解质是由一种质子导体聚 合电解膜构成。
；.
2
1.1燃料电池的工作原理
燃料电池将其初始的能源转化成电子流而产生电能。
步骤： 1.反应物输入 2.电化学反应 3.离子通过电解质传导，电子通 过外电路传导。 4.反应物从燃料电池中排出。
燃料电池截面示意图
；.
3
1.1燃料电池的工作原理
；.
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1.1燃料电池的工作原理 燃料电池在酸性电解质和碱性电解质下工作的对比