燃料电池简介
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。
燃料电池简介
燃料电池简介
燃料电池是一种将燃料和氧气转化为电能的电池。
燃料电池具有高效率、零排放和低噪声等优点，被广泛用于汽车、航空航天、家用电器和能源储存等领域。
燃料电池的工作原理是将氢气和氧气分别输入到阳极和阴极两
端的催化剂层中，催化剂使氢气和氧气发生电化学反应，产生电子和离子。
电子通过外部电路流动，产生电能；离子穿过电解质膜流动，与氧气发生还原反应，生成水。
燃料电池的反应是可逆的，因此可以通过输入氢气和氧气来维持其运行。
不同类型的燃料电池使用不同的燃料。
最常用的是氢气燃料电池，其产生的唯一废物是水。
然而，氢气的储存和输送是一个挑战，因此燃料电池技术仍然面临一些挑战。
尽管存在挑战，燃料电池仍然是一种非常有前途的清洁能源技术，可以为解决能源和环境问题做出重要贡献。
- 1 -。
燃料电池的研究进展综述
燃料电池的研究进展综述⼀. 燃料电池简介1.定义燃料电池(Fuel Cells)是⼀种不需要经过卡诺循环的电化学发电装置，能量转化率⾼。
燃料和空⽓分别送进燃料电池，电就被奇妙地⽣产出来。
它从外表上看有正负极和电解质等，像⼀个蓄电池，但实质上它不能“储电”⽽是⼀个“发电⼚”。
由于在能量转换过程中，⼏乎不产⽣污染环境的含氮和硫氧化物，燃料电池还被认为是⼀种环境友好的能量转换装置。
由于具有这些优异性，燃料电池技术被认为是21世纪新型环保⾼效的发电技术之⼀。
随着研究不断地突破，燃料电池已经在发电站、微型电源等⽅⾯开始应⽤。
2.基本结构燃料电池的基本结构主要是由四部分组成，分别为阳极、阴极、电解质和外部电路。
通常阳极为氢电极，阴极为氧电极。
阳极和阴极上都需要含有⼀定量的电催化剂，⽤来加速电极上发⽣的电化学反应，两电极之间是电解质。
图1.燃料电池基本结构⽰意图3.分类⽬前燃料电池的种类很多，其分类⽅法也有很多种。
按不同⽅法⼤致分类如下：(1)按运⾏机理来分类：可分为酸性燃料电池和碱性燃料电池；(2)按电解质的种类来分类：有酸性、碱性、熔融盐类或固体电解质；图2.燃料电池分类详细介绍(3)按燃料的类型来分类：有直接式燃料电池和间接式燃料电池；(4)按燃料电池⼯作温度分：有低温型(低于200℃)；中温型(200-750℃)；⾼温型(⾼于750℃)。
4.原理燃料电池的⼯作原理相对简单，主要包括燃料氧化和氧⽓还原两个电极反应及离⼦传输过程。
早期的燃料电池结构相对简单，只需要传输离⼦的电解质和两个固态电极。
当以氢⽓为燃料，氧⽓为氧化剂时，燃料电池的阴阳极反应和总反应分别为：阳极：H2 → 2Ｈ＋＋2ｅ-阴极：1/2 O2＋2Ｈ＋＋2ｅ-→Ｈ2O总反应：H2＋1/2Ｏ2 →H2O其中，Ｈ2通过扩散达到阳极，在催化剂作⽤下被氧化成和ｅ-，此后，Ｈ通过电解液到达阴极，⽽电⼦则通过外电路带动负載做功后也到达阴极，从⽽与O2发⽣还原反应（ORR）。
Fuel-cells简介图文(共38张PPT)
第20页，共38页。
B 固体炭燃料电池的探索
氢为燃料太贵，Grove之后许多学者对固体碳燃料电池进行了多方面 研究,但都未获成功
原因:
①碳很难进行电化学反应
②天然碳中含有灰分,不易清除且污染电解质 ③固体物质难于连续输送
第14页，共38页。
(3) SOFC, Solid oxide fuel cell
SOFC工作温度高达1000℃,反应速度快,不需要贵重金属做催化剂 不存在电解质腐蚀金属问题 碳氢化合物燃料可自动在燃料电池内部重整, 燃料中杂质对电池的性能、
寿命影响小 燃料转换效率高,高温余热可很好利用 主要问题： 固体氧化物电解质所用的陶瓷材料脆性大,目前仍很难制造出大面积
第18页，共38页。
3 燃料电池的发展
（1）试验室研究阶
段 相对比,内燃机的效率为22～23%。
主要开发项目：航天用碱性氢氧燃料电池。
1840～1952 90年代以来, 又一次燃料电池研究开发热潮
美、加、德、日等国已有近二十家公司从事电动车的研制和开发，采用Ballard公司的燃料电池从事电动车开发的公司有11家 (2) PAFC, phosphorous acid fuel cell 美国ERC公司早在70年代就进行MCFC研究, 80年代以后转为重点开发, 开发的2MW天然气内重整MCFC1994年底试运行, 1997年3月因
以上
理论转换效率：
G1TS
H H
第6页，共38页。
实际转换效率
第7页，共38页。
B 比能量和比功率高 封闭体系蓄电池与外界没有物质的交换, 比能量不会
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
燃料电池科技名词定义中文名称：燃料电池英文名称：fuel cell定义：将燃料具有的化学能直接变为电能的发电装置。
所属学科：电力（一级学科）；可再生能源（二级学科）本内容由全国科学技术名词审定委员会审定公布百科名片燃料电池(FuelCell)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。
燃料和空气分别送进燃料电池，电就被奇妙地生产出来。
它从外表上看有正负极和电解质等，像一个蓄电池，但实质上它不能“储电”而是一个“发电厂”。
目录简介能量变化历史中国发展状况国际发展状况特点与原理分类发电系统评估经济性展望调峰能力增加节约配电网的建设费用提高电网的安全性电网管理编辑本段简介燃料电池燃料电池十分复杂，涉及化学热力学、电化学、电催化、材料科学、电力系统及自动控制等学科的有关理论，具有发电效率高、环境污染少等优点。
总的来说，燃料电池具有以下特点：（1）能量转化效率高他直接将燃料的化学能转化为电能，中间不经过燃烧过程，因而不受卡诺循环的限制。
目前燃料电池系统的燃料—电能转换效率在45%～60%，而火力发电和核电的效率大约在30%～40%。
（2）有害气体SOx、NOx及噪音排放都很低CO2排放因能量转换效率高而大幅度降低，无机械振动。
（3）燃料适用范围广。
（4）积木化强规模及安装地点灵活，燃料电池电站占地面积小，建设周期短，电站功率可根据需要由电池堆组装，十分方便。
燃料电池无论作为集中电站还是分布式电，或是作为小区、工厂、大型建筑的独立电站都非常合适。
（5）负荷响应快，运行质量高燃料电池在数秒钟内就可以从最低功率变换到额定功率，而且电厂离负荷可以很近，从而改善了地区频率偏移和电压波动，降低了现有变电设备和电流载波容量，减少了输变线路投资和线路损失。
编辑本段能量变化燃料电池为了利用煤或者石油这样的燃料来发电，必须先燃烧煤或者石油。
它们燃烧时产生的能量可以对水加热而使之变成蒸汽，蒸汽则可以用来使涡轮发电机在磁场中旋转。
燃料电池简介
H2 2H++2e
阴极：
1/2O2+2H++2e
H2O
燃料电池的分类
目前，燃料电池按电解质划分已有6个种类得到了发展：
碱性燃料电池（Alkaline Fuel Cell,AFC）
采用氢氧化钾溶液作为电解液
磷酸盐型燃料电池（Phosphoric Acid Fuel Cell,PAFC）
总结
燃料电池的出现与发展，将会给便携式电子设备带来一场 深刻的革命，并且还会波及到汽车业，住宅，以及社会各 方面的集中供电系统。在21世纪中它将会把人类由集中供 电带进一种分散供电的新时代。
燃料电池供电，没有二氧化碳的排放，可减轻温室效应使 全球气候变暖问题，解决了火力发电使全球环境污染的问 题，是一个纯正的绿色清洁能源。所以，我们要加速实现 燃料电池的商品化进程，中国人应该在这场能源革命中有 所作为，跟上全球技术发展的步伐。
DMFC：直接甲醇燃料电池； MCFC：熔融碳酸盐型燃料电池； PAFC：磷酸盐型燃料电池
资料来源：Fuel Cell Today
燃料电池的发展现状
全球燃料电池生产数量的区域分布
资料来源：Fuel Cell Today
最新科技
------美国空军学院研究无人机用氢燃料电池技术
我国研究开发进展
我国2类碱性石棉膜型氢氧燃料电池系统通过了航天环境模拟试验。 国家已将质子交换膜燃料电池列为重点攻关项目，以大连化学物理所 为牵头单位，在国内全面开展了质子交换膜燃料电池的材料和电池系 统的研究，并组装了多台各种功率（1kw~25kw）的电池组和电池系
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）
磷酸型燃料电池
contents
目录
• 燃料电池概述 • 磷酸型燃料电池结构与组成 • 磷酸型燃料电池工作原理及性能参数 • 磷酸型燃料电池制备工艺及优化方法 • 磷酸型燃料电池应用领域与市场前景 • 实验设计与数据分析方法
01 燃料电池概述
燃料电池定义与原理
燃料电池是一种将燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能 的发电装置。其基本原理是电化学反应，通过燃料在阳极的 氧化和氧化剂在阴极的还原，产生电子流动从而形成电流。
• 提高电池温度：适当提高电池的工作温度，有利于提高电解质的质子传导效率 和电极的催化活性，从而提高电池性能。然而，过高的温度可能导致电池材料 的热稳定性和机械性能下降，因此需要权衡温度对电池性能的影响。
• 优化电池管理系统：通过改进电池管理系统的控制策略、提高系统的能量转换 效率等方式，优化电池的运行状态，延长电池的使用寿命并提高性能。例如， 可以采用先进的控制算法对电池进行充放电管理，避免过度充放电对电池造成 损害。
不同于传统电池，燃料电池的燃料和氧化剂并非预先存储于 电池内部，而是由外部供给，因此理论上只要不断供给燃料 和氧化剂，燃料电池就能持续发电。
燃料电池分类及应用领域
根据电解质的不同，燃料电池可分为碱性燃料电池（AFC）、 磷酸型燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、 固体氧化物燃料电池（SOFC）及质子交换膜燃料电池 （PEMFC）等。
工作原理介绍
1 2 3
电解质
采用磷酸作为电解质，利用其在高温下的离子导 电性。
电极反应
在阳极，燃料（如氢气）发生氧化反应，释放出 电子；在阴极，氧化剂（如氧气）接受电子发生 还原反应。
离子传导
磷酸中的氢离子在电极间传导，形成电流。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
谢谢
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
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
如何改善动力学性能
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。
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
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。
活化能垒
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。
Butler-Volmer方程函数曲线
燃料电池
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。
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）
1.2燃料电
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。
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。 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。
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
1.1燃料电池的工作原理
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
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
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