燃料电池的制备与性能
燃料电池的材料选择与性能要求分析
燃料电池的材料选择与性能要求分析燃料电池是一种将化学能转化为电能的装置，其工作原理是通过氧化还原反应将氢气和氧气转化为水，同时释放出电流。
燃料电池的核心是电解质膜，它起到隔离氢氧两种气体并传导离子的作用。
除了电解质膜，燃料电池的材料选择还涉及阳极、阴极、催化剂等多个部件，这些材料的性能要求直接影响整个燃料电池的效率和稳定性。
首先，电解质膜的材料选择是燃料电池设计中最具挑战性的一部分。
电解质膜应具备以下性能要求：高离子传导性、化学稳定性、机械强度、耐温性、低电子导电性和低渗透性。
常用的电解质膜材料有固体聚合物膜、磷酸盐玻璃膜和氧化物陶瓷膜。
聚合物膜作为最常用的电解质膜材料，具有较高的离子传导性和较低的电子传导性，但其化学稳定性和耐温性相对较差；而陶瓷类电解质膜具有较好的耐温性和化学稳定性，但离子传导性较差。
其次，阳极和阴极的材料选择对于燃料电池的性能也至关重要。
阳极应具备良好的氢气氧化反应活性和较低的电子电导率，常用的阳极材料有铂、铂合金、镍等。
铂具有优异的催化活性，但成本较高；铂合金能够降低材料成本并提高催化活性；而镍则具有较低的成本和较高的活性，但对于材料的耐腐蚀性和稳定性有一定要求。
阴极的选择主要考虑氧还原反应的活性，常用的材料有铂、铂合金和钴钼等。
铂和铂合金也是常见的阴极材料，能够提供较好的反应活性，而钴钼则更适用于碱性燃料电池。
最后，催化剂是燃料电池中不可或缺的一部分，它能够促进氢气和氧气之间的反应。
常用的催化剂材料有铂、镍、钼等。
铂是最常见的催化剂材料，因为它在燃料电池反应中具有较高的活性，但其成本较高；镍和钼则具有较低的成本，但活性相对较低。
因此，催化剂的选择需要在成本和活性之间进行权衡。
综上所述，燃料电池的材料选择与性能要求是一个复杂而关键的问题。
除了电解质膜、阳极、阴极和催化剂的选择外，还需要考虑材料的成本、稳定性、耐腐蚀性和制备工艺等因素。
随着科技的进步和材料研究的不断发展，相信在未来会有更多新材料的应用，提升燃料电池的性能和推动其在各个领域的广泛应用。
简述五大燃料电池工作原理和特点
简述五大燃料电池工作原理和特点简述五大燃料电池工作原理和特点可以按燃料类型分类，或者工作温度分类，但一般都是以电解质的类型来分类的，可分为碱性燃料电池（AFC）、磷酸燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)和质子交换膜燃料电池(PENFC)五大类。
碱性燃料电池（AFC）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。
原理使用的电解质为水溶液或稳定的氢氧化钾基质，且电化学反应也与羟基（OH）从阴极移动到阳极与氢反应生成水和电子略有不同。
这些电子是用来为外部电路提供能量，然后才回到阴极与氧和水反应生成更多的羟基离子。
负极反应：2H2 + 4OH- → 4 H2O + 4e-正极反应：O2 + 2H2O + 4 e- → 4OH-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敏感。
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。
特点低温性能好，温度范围宽，并且可以在较宽温度范围内选择催化剂，但是才用的碱性电解质易受CO2的毒化作用因此必须要严格出去CO2，成本就偏高。
磷酸燃料电池（PAFC）磷酸燃料电池（PAFC）是当前商业化发展得最快的一种燃料电池。
正如其名字所示，这种电池使用液体磷酸为电解质，通常位于碳化硅基质中。
磷酸燃料电池的工作温度要比质子交换膜燃料电池和碱性燃料电池的工作温度略高，位于150 - 200℃左右，但仍需电极上的白金催化剂来加速反应。
其阳极和阴极上的反应与质子交换膜燃料电池相同，但由于其工作温度较高，所以其阴极上的反应速度要比质子交换膜燃料电池的阴极的速度快。
制作简单的燃料电池实验报告
制作简单的燃料电池实验报告
实验名称：简单燃料电池的制作与测试
实验目的：通过制作简单的燃料电池，了解燃料电池的基本原理和工作过程，并掌握燃料电池在实际应用中的一些特点和技术要求。
实验材料：
- 氢氧化钠(NaOH)溶液
- 活性炭粉末
- 铂丝
- 电线
- 氢气瓶
- 氧气瓶
- 两个玻璃杯
- 两块不同大小的木板
- 电压表
实验步骤：
1. 将一个玻璃杯放置于大木板上，将活性炭粉末放入玻璃杯中，并加入适量的NaOH溶液，搅拌均匀，使其成为糊状物。
2. 在另外一个玻璃杯中，添加干净的水和适量的NaOH溶液，搅拌均匀，作为负极。
3. 将铂丝固定在小木板上，然后将铂丝浸泡在活性炭糊中，作为正极。
4. 将产生的氢气从氢气瓶中送入活性炭糊中，同时将氧气从氧
气瓶中送入负极玻璃杯中。
5. 通过电线连接正、负极，使用电压表检测燃料电池的输出电
压和电流。
实验结果：
在实验过程中，我们观察到了燃料电池产生了明显的电流，同时也测量到了其输出的电压和电流。
通过测量和计算可知，该燃料电池的平均输出电压为0.7V，平均输出电流为0.2A。
实验结论：
通过本次实验，我们深入了解了燃料电池的基本原理和工作过程，并掌握了一些燃料电池在实际应用中的特点和技术要求。
同时，我们通过自己亲手制作燃料电池的方式，更好地理解了其内部构造和工作原理，这对于今后进一步学习和研究燃料电池技术具有重要的意义。
固体氧化物燃料电池电极材料的制备及性能研究
固体氧化物燃料电池电极材料的制备及性能研究固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell, SOFC）是一种高效和环保的能源转化设备。
它可以直接将化学能转化为电能，而且对空气和燃料的要求很低。
SOFC利用固态电解质来传递氧离子，并采用四种不同的电极：阳极（Anode）、阴极（Cathode）、负极（Cathode）、正极（Anode）。
电极材料的性能和制备方法对于提高SOFC的效率和降低成本具有重要意义。
一、阳极材料阳极材料作为SOFC中最关键的成分之一，通常采用金属氧化物（如NiO、CuO等）和氧化物（如La2O3、CeO2等）来制备。
然而，这些材料常常存在一些问题，如低导电性、摩尔比例偏离、CO污染等。
为解决这些问题，近年来，研究者们开始开发新的阳极材料，如铁酸钙（CaFeO3）和复合氧化物（Ln2MnO4、La0.7Sr0.3MnO3等）等，以提高阳极的导电性和抗CO污染能力。
同时，研究者们也着手改进阳极材料的制备方法。
传统的制备方法在溶胶凝胶、均质共混和化学镀等方面存在一些缺点，如长时间制备、高成本、低通量等。
因此，现代材料科学研究者们开始尝试使用更加高效的方法来制备阳极材料，如高能球磨、喷雾干燥等。
二、阴极材料阴极材料是SOFC中另一个重要的成分。
传统的阴极材料主要是拉锆石氧化物（LSM）和LaMnO3基复合氧化物，但这些材料也存在很多问题，如CO污染和不良的电化学性能。
为此，研究者们开始寻求新的阴极材料，如双氧掺杂层状钙钛矿（LSCF）和稀土掺杂的钙钛矿（La2NiO4、La2NiMnO6等）等。
在阴极材料的制备方面，基于燃烧合成方法（Combustion Synthesis Method, CSM）的制备方法得到了广泛应用，因为它不仅具有高效率和低成本的特点，而且有助于制备具有一定孔隙率的高性能阴极材料。
三、负极材料负极材料主要是Ni/NiO。
负极材料在SOFC中扮演着充电和脱氢的角色，它的性能对整个电极系统的运行和效率至关重要。
微生物燃料电池的制备与性能研究
微生物燃料电池的制备与性能研究微生物燃料电池（microbial fuel cell, MFC）作为一种新兴的可再生能源技术，具有能够同时产生电能和废水处理的双重功能，对于解决能源危机和环境治理具有重要意义。
本文将介绍微生物燃料电池的制备方法，并重点探讨其性能研究。
一、微生物燃料电池的制备方法微生物燃料电池的制备主要包括阳极和阴极的搭建以及微生物的选择。
阳极通常采用碳材料，如石墨毡、石墨电极等，而阴极则通常采用氧还原反应催化剂，如铂金。
微生物则是通过电极材料表面的生物膜与燃料（如有机废水）之间的相互作用来实现电子转移。
具体制备方法如下：1. 制备阳极：将阳极材料（如石墨电极）切割成适当的形状并清洗，然后用研磨纸打磨表面以增加其表面积。
2. 制备阴极：选择合适的氧还原反应催化剂（如铂金），将其涂覆在碳纸或碳布上，并干燥制备成阴极。
3. 微生物选择与培养：选择适宜的微生物菌种，如细菌、藻类等，并进行培养，以便形成稳定的生物膜。
二、微生物燃料电池性能研究1. 发电性能研究发电性能是评价微生物燃料电池的重要指标之一。
研究者通常采用电化学技术对微生物燃料电池进行性能测试。
通过测量电流和电压的变化，可以得到微生物燃料电池的I-V曲线，进一步分析其功率输出和内阻。
2. 废水处理性能研究废水处理是微生物燃料电池的另一个重要功能。
研究者通常使用有机废水作为燃料，并通过测量废水中有机物浓度的变化，来评估微生物燃料电池的废水处理性能。
3. 影响因素研究微生物燃料电池的性能受到多种因素的影响，包括底物类型、温度、pH值、氧气供给等。
研究者通过改变这些因素，来研究它们对微生物燃料电池性能的影响，并优化微生物燃料电池的工作条件。
4. 经济性研究微生物燃料电池的应用前景与经济性密切相关。
研究者需要通过对微生物燃料电池的制备成本、发电效率以及废水处理能力等方面的研究，来评估其经济可行性，并寻求提高其经济性的途径。
总结：微生物燃料电池作为一种新兴的可再生能源技术，其制备方法和性能研究对于推动可再生能源的发展具有重要意义。
微生物燃料电池构建与性能优化
微生物燃料电池构建与性能优化微生物燃料电池是一种利用微生物代谢产生电能的新型清洁能源技术，其将微生物代谢产生的电子转化为电能，使得有机废物在同时获得处理的同时，也能够产生电能，从而实现了生态和经济的双重效益。
本文将从微生物燃料电池构建和性能优化两方面进行探究。
一、微生物燃料电池构建微生物燃料电池通常包括阳极、阴极和电解质三个部分。
阳极一般采用碳纤维或碳布等导电材料，表面可接上微生物与有机质。
阴极一般采用氧化还原材料或氢气。
电解质一般为pH中性的水溶液，如磷酸盐缓冲液或海水等。
微生物燃料电池的构建主要有以下几个步骤：1. 稳定电压的测量稳定电压是微生物燃料电池的关键性能指标之一。
在构建微生物燃料电池前，需要首先对稳定电压进行测量。
2. 微生物选择及培养微生物是微生物燃料电池中重要的组成部分，通过选择不同类型的微生物，可以使得微生物燃料电池的性能得到不同程度的提升。
3. 阳极的制备阳极是微生物燃料电池中最主要的组成部分之一，对于阳极的制备，可以采用化学活化或电化学活化等方法。
4. 电解质的选择和调节电解质在微生物燃料电池中起着至关重要的作用，不同类型的电解质会直接影响微生物活性和电极反应速率，因此需要对不同种类和浓度的电解质进行选择和调节。
5. 阴极的制备阴极的制备对于微生物燃料电池的性能同样具有直接的影响。
对于阴极的制备，可以采用不同的材料和制备方法，如有机材料和无机材料等。
二、微生物燃料电池性能优化1. 微生物选择微生物的选择是微生物燃料电池性能优化的重要环节。
目前常用的微生物有厌氧细菌、光合细菌和硫酸盐还原菌等。
通过合理选择微生物，可以实现微生物燃料电池的高效率生产。
2. 外加电压外加电压是微生物燃料电池性能优化的关键技术之一。
通过外加电压，可以显著提高电极反应速率和生产电荷量，从而实现微生物燃料电池性能的进一步提升。
3. 电极化学浸润电极化学浸润是另一种微生物燃料电池性能优化的重要技术。
通过电极化学浸润，可以将微生物与电极表面更加紧密地结合在一起，从而提高微生物燃料电池的产电性能。
碱性燃料电池的工作原理和特点分析
碱性燃料电池的工作原理和特点分析(1)碱性燃料电池的结构及工作原理碱性燃料电池(alkaline fuel cell，AFC)采用如KOH、NaOH之类的强碱性溶液作电解质，传导电极之间的离子，由于电解液为碱性，与PEMFC不同的是在电介质内部传输的离子导体为氢氧离子OH- 碱性燃料电池(AFC)是最早进入实用阶段的燃料电池之一，也是最早用于车辆的燃料电池。
1959年驱动叉车的培根(Bacon)型中温、中压氢氧燃料电池就是AFC。
可以说，AFC是目前技术最成熟的燃料电池之一。
以氢氧作燃料的AFC，氢气为燃料，纯氧或脱除微量二氧化碳的空气为氧化剂。
氧化极的电催化剂采用对氧电化学还原具有良好催化活性的Pt/C、Ag、Ag-Au、Ni等，并将其制备成多孔气体扩散电极；氢电极的电催化剂采用具有良好催化氢电化学氧化的Pt-Pd/C、Pt/C、Ni或硼化镍等，并将其制备成多孔气体电极双极板材料采用无孔碳板、镍板或镀镍甚至镀银、镀金的各种金属（如铝、镁、铁）板，在板面上可加工各种形状的气体流动通道构成双极板。
以氢氧作燃料的AFC，其工作原理如图所示，在阳极，氢气与电解液中的OH-在电催化剂的作用下，发生氧化反应生成水和电子，电子通过外电路达到阴极，在阴极电催化剂的作用下，参与氧的还原反应，生成的OH-通过饱浸碱液的多孔石棉迁移到氢电极。
其阳极和阴极发生的电化学反应如下。
上述反应不同于酸性燃料电池的另一点是水在氢电极处生成。
为防止稀释电解质，阳极侧生成的水要及时排除。
此外，在阴极处，氧的还原又需要水。
水的管理问题通常按电极防水性和在电解液中保持含水量的需求予以分解。
阴极反应从电解液中消耗水，而阳极反应则排出其水生成物。
过剩的水在燃料电池堆汽化。
石棉膜型碱性氢氧燃料电池单电池的工作原理AFC可分为多孔基体型及自由电解液型两类．前者是将电解液吸在作为电极间隔离层的多孔性材料中。
后者电解液存于空室内，外设循环系统，将反应生成的热及水散发掉。
固体氧化物燃料电池的制备和应用
固体氧化物燃料电池的制备和应用固体氧化物燃料电池，简称SOFC，是一种利用化学反应直接将化学能转化为电能的新型电化学能源装置。
它以固体氧化物为电解质，更为环保且能达到较高的高效转换率。
因此，SOFC在能源领域中有着广泛的应用前景。
本文将详细介绍SOFC的制备和应用。
一、固体氧化物燃料电池的制备（一）基本原理固体氧化物燃料电池由阳极、阴极及固体氧化物电解质三部分组成。
在SOFC 中，电解质通常采用氧化物电解质如氧化锆等。
阳极和阴极通常采用钨酸盐等催化剂材料，用于促进氧与燃料的反应并加速反应速率。
当氢气经过阳极时，会发生输入反应：2H2 + O2- = 2H2O + 4e-，生成水和电子。
电子则会从阳极移动到阴极处，从而产生电流。
（二）制备方法目前，SOFC的制备方法主要有多种方式，其中最为常见的是单晶体法、固相烧结法和浆料注射成形法。
1. 单晶体法单晶体法是通过溶液的方式，在温度较低的情况下制备SOFC。
该制备方法操作简单、成本较低、制备周期短。
其基本原理是将材料的溶液依次喷涂在单晶体表面上，然后在恒温烤箱中进行烘烤，最终形成SOFC。
2. 固相烧结法固相烧结法是通过固相反应的方式制备SOFC。
该方法较为复杂，但能制备出高品质的SOFC。
其基本原理是将氧化物电解质、阳极和阴极等多种材料混淆后，通过高温烧结的方式制成SOFC。
该方法具有可靠性高、制备的SOFC硬度与密度等均较高的特点。
3. 浆料注射成形法浆料注射成形法是利用液态浆料将SOFC制备而成。
该方法适用于制备SOFC铺层，能制备出具有良好孔隙性和厚度均匀的SOFC。
其基本原理是将多种材料制成一定比例的液态浆料，然后将其喷涂到所需位置。
二、固体氧化物燃料电池的应用SOFC的应用范围十分广泛，包括移动电源、工业用电、农业用电等多个领域。
（一）移动电源在移动电源领域，SOFC能够实现小型化、高效化和绿色化。
它可以广泛使用于航空、轮船等移动设备，能够为电动汽车提供长时间、高效率的动力；同时也可以使用于中小型移动通讯基站，能够提供长时间、高容量的电源，解决了传统电源续航能力有限的问题。
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冯春梁 教授
化 学 化 工 学 院 辽宁省省级化学实验教学示范中心 2010年11月
一、将高新科技成果引入课堂教学的意义
提高自主创新能力，建设创新型国家是国家发展战略的 核心，是提高综合国力的关键，是落实科学发展观的重大
举措，是我国面向未来发展的重大战略选择。
二、开设燃料电池实验 启迪学生的创新思维 克服能源危机的出路 ★氢能源
氢是一种比较理想的能源 。利用自然界大量 存在的水由电解水产生氢或太阳能光催化水分解氢。氢能 最好的利用方式：
燃料电池
★太阳能的利用 ★生物质燃料能源 ★水电与潮汐发电 ★风力发电
二、开设燃料电池实验 启迪学生的创新思维 燃料电池是一种将燃料和氧化剂的化学能通过电化学反应
三、燃料电池的工作原理
氢燃料电池的 工作原理
图３ 燃料电池工作原理图。图中 Anode 为阳 极，Cathode 为阴极，Bipolar Plate 为双极板，
阳极半反应：H2 → 2 H+ + 2 e阴极半反应：1/2 O2 + 2 H+ + 2 e- → H2O 电池总反应：H2(g) + 1/2 O2(g) → H2O(l)
掌握膜电极制作技术。 掌握燃料电池安装方法。 选择负载（灯泡或小型风扇）。 研究燃料电池放电曲线的测试方法。
四“燃料电池的制备与性能”实验教学内容
参考文献方法，了解燃料电池的各种配件的作用。了解催化 剂的制备技术以及表征其催化活性的方法 研究质子交换膜的预处理及碳纸的预处理技术 膜电极制作技术
。
燃料电池安装方法
创新型人力资源是建设创新型国家的关键要素之一。 培养创新型人才是高等院校义不容辞的责任，也是高等 院校教学改革的重要方向。 改革教学内容，不断将高新科技成果引入课堂教学对创 新型人才的培养具有至关重要的作用，是一项值得深入研 究的重要课题。
一、将高新科技成果引入课堂教学的意义
实施三层次教学的问题：设计研究性实验内容太少，实验
二、开设燃料电池实验 启迪学生的创新思维 能源危机迫在眉睫
★ 石油资源大约在2050年左右宣告枯竭； ★ 天然气储备将在57～65年内枯竭； ★ 煤的储量约为5600亿吨，可以供应169年； ★ 铀的年开采量目前为每年6万吨，估计可维持到21世纪30 年代中期； ★ 燃烧矿石燃料时，直接向大气排放大量的废气，在全球形 成严重污染，所产生的温室效应、酸雨、光化学烟雾等已 严重威胁着人类的生存环境。
Eo = 0.00 V Eo = 1.23 V Eocell = 1.23 V
(1) (2) (3)
四、燃料电池的组装技术
小型燃料电池的制备
小型燃料电池的配件
一体化燃料电池发电系统
五、实验目的与要求
了解燃料电池的工作原理及各种配件的作用。 查阅相关文献，研究催化剂的制备技术及表征方法。
研究质子交换膜的预处理及碳纸的预处理技术。
二、开设燃料电池实验 启迪学生的创新思维
燃料电池是一个既熟悉又陌生的概念，从大学教授到中小
学生还很少有人触摸到这个既简单又神秘的新生事物。
将这项高新技术引入高校实验教学，使学生全面了解燃料 电池的基本原理和制作过程及使用方法，不仅可以增强学生 的节约能源意识和环保意识，还可以培养青年学生的创新意 识。 尤其是师范院校的毕业生对燃料电池有了感性认后，走向 社会就有能力向全社会的中小学生进行科普教育，引导广大 青少年崇尚科学，热爱科学，树立献身科学事业的远大理想。
负载的选择 燃料电池放电曲线的测试方法
二、研究内容及方法
燃料电池的制组装与性能”是一个现代
物理化学实验，它Байду номын сангаас经典实验内容与现代科
技成果有机结合在一起，是一个真正意义上
的综合设计性实验。开设这类实验对培养创
新型人才具有重要意义。
谢谢大家！
内容比较陈旧，与现代科技发生脱节；
科学技术飞速发展，日新月异，而教学内容30年一贯制 ，
不利于合格人才的培养。
教改的问题是教员的问题 ，专家、教授都应该花费一定的 心血投身于教学改革，培养更多的创新新人才 将燃料电池技术引入实验教学具有重要意义，国内外均未 见报道，有利于素质教育，有利于培养创新意识。
直接转变为电能的发电装置。
燃料电池有很多优点：
能量转换效率高； 一般用氢作燃料，氧气为氧化剂，产物为 水，因此，它 对环境的污染很小； 燃料电池有广泛的用途。
二、开设燃料电池实验 启迪学生的创新思维
氢燃料电池电车 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16s，最高时速可达140km/h，续驶 里程400km。 截止2005年9月，戴姆勒-克莱斯勒公司生产的200辆 燃料电池汽车已行驶于欧洲及美国、日本和新加坡的街头。 在上海世博园，奔跑的新能源汽车中，燃料电池汽车 共有196辆，包括了专用于贵宾接待的90辆燃料电池轿车， 跑在世博园区世博大道上的6辆燃料电池公交客车和跑在 世博园区博成路和高架步道两条观光线上的100辆燃料电 池观光车。