燃料电池专业知识
燃料电池讲解：PPT课件
ห้องสมุดไป่ตู้ 二、
一、制作氢氧燃料电池的设想
燃料电池是一种新型的化学电源， 是现在最引人注目的能源装置之一，是 高中化学教材新增添的学习内容。但教 材没有安排燃料电池的演示实验和学生 实验。因此我们就想自己研制燃料电池。 我们首先查阅了大量的有关燃料电池的 资料，做了大量的实验，通过不断改进， 最终研制出了一种不需用贵重金属的简 易氢氧燃料电池。
正 极
燃料电池由正极、 负极和离子导电的电 解质构成，其工作原 理与普通电化学电池 类似，燃料在负极氧 化，氧化剂在正极还 原，电子从负极通过 负载流向正极构成电 回路，产生电流。
四、氢氧燃料电池的工作原理
A
2e
-
2e
-
氢气
H+
H+
OH OH -
氧气
H2O 负极 正极
五、氢氧燃料电池的装置
石墨电极均为普通1号干电池的碳棒, 电 解槽为化学实验室盛装石蕊试纸的塑料盒。
二、燃料电池的定义
燃料电池是一种能够持续的 通过发生在正极和负极的氧化还 原反应将化学能转化为电能的能 量转换装置。燃料电池与常规电 池的区别在于，它工作时需要连 续不断地向电池内输入燃料和氧 化剂，只要持续供应，燃料电池 就会不断提供电能。
三、燃料电池的工作原理
燃料 导电离子 氧化剂
负 极 电 解 质
电子钟
（+）O2+ 4e- + 4H+= 2H2O
可走数十 分钟
（-）2H2-4e- + 4OH- = 4H2O
电解槽
Na2SO4 溶液
石墨电极
七、氢氧燃料电池带动小电器
电池中附有氧气的碳棒为正极，附有氧 气的碳棒为正极。
燃料电池技术基础总结
燃料电池技术基础总结Ch11. 燃料电池是一种不经过燃烧过程的低污染、高效的发电装置，是可以利用氢这种新型能源作燃料的一种清洁发电装置，已成为继水力发电、火力发电和核能发电之后的第四代主要发电技术。
2. 产业化过程将会经历三个阶段，即注重技术水平的成果阶段、注重实用化的产品阶段和注重销售价格,生产成本的商品化阶段。
3(燃料电池(Fuel Cell)的定义:是一种以氢为主要燃料，把燃料中的化学能通过电化学反应直接变换成电能的高效、低污染、无噪声的发电装置。
燃料电池与一般传统电池(battery) 的相同点:都是将活性物质的化学能转化为电能的装置，都属于电化学动力源(electrochemical power source，electrochemical cell) 不同点:燃料电池是能量转换器，非能量储存器;一般电池是能量储存器4. 1838年 C.F(Schonbein发现燃料电池原理5. 1993年重要里程碑:加拿大巴拉德动力系统(Ballard power system)公司推出全世界第一辆以质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)为动力的电动汽车。
6. 燃料电池发电是直接通过电化学反应将燃料的化学能转变成电能，不受卡诺循环的限制，转化过程的步骤少、效率高，发电过程中没有燃烧、不冒烟，不会产生污染没有高速转动部件，不会产生噪声。
7. 按照燃料的来源，燃料电池可以分成类:一类是直接式燃料电池，即燃料用氢气;另一类是间接式燃料电池。
8. 由于大部分的燃料为有机化合物且为气体，这就要求电极具有催化剂的特性(也就是“电催化”作用)，并且为多孔质材料，以增大燃料气、电解液和电极三者的三相接触界面，促进电子授受反应的进行。
发生电子授受反应的气、液、固三相接触界面称为三相区(Three Phase Zone)。
9. 气体扩散电极的研究直接关系到整个燃料电池的发展，是燃料电池研究的重要课题之一。
燃料电池概念
燃料电池概念引言：- 燃料电池（FuelCell）被认为是一种清洁、高效、可持续的能源技术，被广泛应用于交通运输、能源供应和环境保护领域。
本文将介绍燃料电池的概念、原理、类型、应用以及未来发展方向。
一、燃料电池的概念：- 燃料电池是一种将化学能直接转化为电能的能量转换装置，通过氧化剂与还原剂间电化学反应来产生电力。
其核心原理是利用氢气或其他可燃气体与氧气相结合，通过电化学反应产生电能，并以水和热能为副产品。
二、燃料电池的工作原理：- 燃料电池的工作原理基于两个半反应：氧化半反应和还原半反应。
氧化半反应发生在氧化剂（通常是氧气）的一侧，其中氧分子分解成氧离子。
还原半反应发生在还原剂（如氢气）的一侧，其中氢离子经过反应产生电子和水。
通过将两个半反应结合在一起，燃料电池能够将化学能转化为电能。
三、燃料电池的类型：- 燃料电池根据不同的电解质和工作温度，可以分为不同类型：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。
每种类型的燃料电池都有其特定的优点和适用场景，例如PEMFC适合用于交通工具和移动设备，而SOFC适合用于电力供应和大型工业设备。
四、燃料电池的应用：- 燃料电池被广泛应用于各个领域，包括交通运输、能源供应和环境保护等。
在交通运输领域，燃料电池驱动的电动汽车可以提供零排放、长续航里程和快速加注等优势。
在能源供应领域，燃料电池可以作为替代传统燃料的可再生能源，提供可靠的电力供应。
在环境保护领域，燃料电池可以减少有害气体排放，降低温室气体的影响。
五、燃料电池的未来发展：- 随着技术的进步和成本的降低，燃料电池有望在未来得到更广泛的应用。
研究人员正在努力改进燃料电池的效率、稳定性和可靠性，以满足不同领域和应用的需求。
同时，开发更便捷、经济的氢气储存和分配系统也是未来发展的研究重点。
结论：- 燃料电池作为一种清洁、高效、可持续的能源技术，拥有广泛的应用前景。
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。
燃料电池发电技术
05 结论与展望
结论
高效环保
燃料电池发电技术具有高效率和 环保优势，其能量转换效率高达 50%以上，同时排放的废气主要
为水蒸气，对环境无污染。
灵活多样
燃料电池可以根据不同的应用场 景进行灵活配置，既可以作为分 布式电源使用，也可以组成大型
电站，满足不同规模的需求。
技术成熟
经过多年的研发和试验，燃料电 池发电技术已经逐渐成熟，并开
氢气循环系统
氢气循环系统是燃料电池发电技术中的重要组成部分，其作用是确保氢气在系统 中持续流动，并为燃料电池堆提供足够的氢气。
氢气循环系统通常包括氢气压缩机、冷却器和储气罐等设备。在系统中，氢气经 过压缩机的压缩后，通过冷却器降温，并储存在储气罐中。当需要为燃料电池堆 提供氢气时，储存在储气罐中的氢气会通过管道输送到燃料电池堆。
• 燃料电池发电技术的优势在于其高效、环保、可靠和灵活等。与传统的发电方 式相比，燃料电池发电技术具有更高的能量转换效率和更低的污染物排放。此 外，燃料电池发电技术还可以通过增加或减少燃料电池堆的数量来满足不同功 率的需求。
• 然而，燃料电池发电技术也存在一些局限。首先，氢气的储存和运输需要特殊 的安全措施；其次，氢气的生产成本较高，且目前还没有大规模的氢气生产设 施；最后，燃料电池发电技术的初期投资成本也较高。
固定式燃料电池发电站
环保性
固定式燃料电池发电站具 有环保性，可以实现零排 放，减少对环境的污染。
高效率
固定式燃料电池发电站具 有较高的发电效率，可以 提供稳定的电力输出。
维护成本高
固定式燃料电池发电站的 维护成本较高，需要定期 进行检修和维护。
04 燃料电池发电技 术的发展趋势与 挑战
提高燃料电池性能与降低成本
燃料电池全面总结
• (3)熔融固体氧化物 • 负极：CH4-8e-+4O2- = CO2+2H2O
• 正极：2O2+8e- = 4O2• (4)熔融碳酸盐
思考：氨气构成燃料电池，其电池反应原理为 4NH3+3O2═2N2+6H2O ，电极反应如何写？
练3 如图是2004年批量生产的笔记本电脑所用的 甲醇燃料电池的结构示意图。甲醇在催化剂作用 下提供质子(H+)和电子。电子经外电路、质子经 内电路到达另一极与氧气反应。电池总反应式为： 2CH3OH＋3O2＝2CO2＋4H2O。 下列说法中正确的是 ( AC) A、左边的电极为负极，a处通入甲醇 B、右边的电极为负极，b处通入空气 C、电池负极的反应式为： CH3OH+H2O－6e-=CO2+6H+ D、电池的正极反应式为：O2+2H2O+4e-=4OH-
燃料电池全面总结
一 定义：燃料电池是一种不经过燃烧，将燃 料化学能经过电化学反应直接转变为电能 的装置。 优点：高效、环保。
注：
（1）两电极材料可以相同，只起导电的作用。 （2）反应物不是储存在电池内部，而由外设装 备提供燃料和氧化剂。 通燃料的电极为负极，通氧气的电极为正极。
常考燃料：H2 CO CH4 C2H6(乙烷）C3H8(丙烷） CH3OH C2H5OH NH3 N2H4(肼)
注：碱性条件下CO2和OH-反应最终生成CO32思考：乙醇燃料电池在碱性条件下的负极反应？
有关燃料电池
有关燃料电池基本知识了解1定义：燃料电池是一种不经过燃烧，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，这是我们书写燃料电池总反应方程式的依据。
2、燃料电池的电极规定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。
因此，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。
3、燃料电池的类型碱性燃料电池（AFC）――采用氢氧化钾溶液作为电解液。
质子交换膜燃料电池（PEMFC）――采用极薄的塑料薄膜作为其电解质。
磷酸燃料电池（PAFC ）――采用200C高温下的磷酸作为其电解质。
熔融碳酸燃料电池（MCFC ）固态氧燃料电池（SOFC ）――采用固态电解质在不同的电解质中，燃料电池的电极反应式就有不同的表示方法。
因此，在书写燃料电池电极反应式时要特别注意电解质的种类。
4、燃料电池的工作原理：以氢氧燃料电池为例，其工作原理是：氢气（可燃物）从负极处失去电子（燃料被氧化掉），这些电子从外电路流到正极；同时，余下的阳离子（氢离子）通过电解液被送到正极。
在正极，氧气获得电子发生反应。
5、燃料电池的优点：作为二十一世纪改善人类生活的绿色电源”一一然料电池，它具有以下优点：⑴燃料电池是把化学能直接转化为电能，而不经过热能这一种中间形式，所以它的电效率比其它任何形式的发电技术的电效率都高。
⑵燃料电池的废物（如SO2、CO、NOx）排放量很低，大大减少了对环境的污染。
⑶燃料电池中无运动部件，工作时很安静且无机械磨损。
总之，燃料电池是一种新型无污染、无噪音、高效率的汽车动力和发电设备，其投入使用可有效的解决能源危机、污染问题，是继水力、火力、核能发电后的第四类发电一一化学能发电，被称为二十一世纪的“绿色电源” 。
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
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储氢系统
氢瓶：金属内胆，碳纤维缠绕，3型气瓶。 国内压力：国标允许35MPa。 国际：塑料内胆，碳纤维缠绕，4型气瓶。 国际压力：一般都在70MPa。
氢瓶 35/70MPa
减压器
0.5-2MPa左 右
氢气传输管路 燃料电池发 动机 减压器 进入电堆内部 （kPa级）
第四章 巴拉德9ssl电堆
Fuel cell stack orientation
Gas and fluid compatibility
Operation Conditions
Fuel cell stack performance
Fuel cell stack operating limits
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
流场板FP （Flow Plate）
对于水冷流场，又称为双极板Bipolar-plate
隔离型
升压型 降压型
单向 双向
电机
电机：无刷直流电机、交流异步电机、永磁同步电机、开关磁阻电机。
目前电动汽车上逐渐以永磁同步直流电机为主： 体积小，功率密度大 效率高 功率因素高 启动力矩大 温升低
直流电
电机控制器
电机
机械能
动力电池
从正极材料来看有：锰酸锂、三元材料或磷酸铁锂等。 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。
一、燃料电池专业知识
第一章 燃料电池原理和构成
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？
Hydrogen Fuel Cell
Oxygen Heat
Electric power Water
PEMFC 原理
一般应用于大功率发动机，电站等
空冷使全系统设计简化； 往往供氧和冷却一步完成； 相对功耗更低； 一般应用于无人机，充电器等
系统流程
第三章 车用燃料电池系统介绍
传统汽车
内燃机
机械能
机械传动
机械能
内燃机车：以内燃机（汽油机或柴油机）作为动力源。 电动汽车：以电能作为动力源，用电机驱动车轮。 混合动力汽车：一般指油电混合动力汽车，采用内燃机和电机作为动力源。
集成程度更高； 线束规范；车用方式； 整体模具设计成型思路；
多功能，模块化；
原车用零部件直接用于BOP，或改进后用于BOP
电堆与BOP之间的契合度更高；
电堆水热管理与BOP元件交互更多； 以电堆为核心的BOP元件定制化强化。
水冷与空冷
水冷系统往往为大功率（>5KW）的电堆而准备； 所携带的热能更大，可以使电堆设计更紧凑； 温度在双极板的面分布上更一致； 相对于外界独立；
பைடு நூலகம்
电动汽车
电池
电能
电机
机械能
燃料电池发动机
燃料电池汽 车
电能
电机
机械能
动力电池
燃料电池汽车：认为是电动汽车的一种。 纯电动汽车：由可充电电池作为动力源。可以是铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池或 锂离子电池。
纯电动汽车
蓄电池
电能
电机
机械能
增程式电动车
增程式的含义：有一个增程器，作为辅助动力装置使用（APU： Auxiliary Power Unit）
PEM fuel cell H2
Carbon black
Load
e-
Platinum Catalyst
Air
Anode
H+
Cathode Bipolar Gas Diffusion Layer plate Membrane Electrode Assembly Gas Diffusion Bipolar Layer plate
要求：稳定不讲解，高效传导质子，不传电子，气体渗透系数低，溶胀系数小， 强度高 材料： Nafion Dow膜，复合膜，BaM3G膜；
催化层CL (Catalyst layer)
作用：燃料电池反应关键，催化剂以及催化剂载体形成的薄层；
要求：导电性好，载体耐蚀，催化活性大； 材料：Pt/C,Pt-Ru/C 载体材料C：纳米颗粒碳，碳纳米管，碳须 最先进的技术是3M的催化剂“小麦”种植技术; 催化剂最先进的是“壳核”结构
NIST
Anode Reaction
Cathode Reaction
2H2 4H+ + 4e-
O2 + 4H+ + 4e- 2H2O
激态A 激态B
Energy
稳定1
稳定2
构成
NREL
质子交换膜PEM(proton exchange membrane)
作用：电解质，传导质子，隔离反应气体
增程器
电能
电机
机械能
动力电池
150~200公里
整车控制系统
动力电池
燃料 电池
DC/DC
电机 控制器
驱动 电机
驱动桥
储氢供氢系统
车辆附件总成 燃料电池附件
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
第二章 燃料电池系统集成
HD6 ballard
新源动力
Flow Cath
Intellagent energy
GM FC
US fuelcell
BMW，5 GT
丰田
汽车企业所集成的燃料电池发动机，更像“发动机”