3.4燃料电池的历史和发展
燃料电池的演化及发展探析
燃料电池的演化及发展探析
燃料电池是一种新型可再生能源，主要用于电动车、照明、电能发电和联合循环系统中使用的环保发电技术。
燃料电池的演化及发展可以分为三个阶段。
第一阶段，即从运动型燃料电池的发明开始，最初的燃料电池是用金属硫水溶液或有机酸作为电极材料，加使用氧化乙醇燃烧水分解而形成电能。
第二阶段，随着高功率燃料电池技术的发展，碳/水还原反应、液体氧化器等先进技术的出现，燃料电池性能及可靠性得以改善。
此外，由于材料的不同，也出现了以氢为燃料的燃料电池，以及以太阳能为燃料的太阳能燃料电池。
第三阶段，燃料电池的发展正在步入更高的水平，包括先进的控制和故障诊断系统、有效的防止内部漏电短路失控等技术。
此外，也有针对电动汽车、水泵和工业加热等应用场景而开发的特定燃料电池系统。
据以上所述，燃料电池演化及发展已经经历了三个不同的阶段。
它们的发展越来越多的应用场景，同时由于新技术的支持，使得它们的性能得到了显著提升。
“燃料电池电动汽车”教案讲义
燃料电池具有如下缺点：
价格高 目前质子交换膜燃料电池的价格虽然
已有所降低，但是要达到30－50美元/kW 的目标还需要一段时间的努力。
贵金属催化剂 铂的用量虽然已降低，但是距0.1-
0.2mg/ 还有段距离。 燃料的限制
目前车用的燃料电池主要是质子交换 膜燃料电池，它们只能用纯氢作燃料。
燃料电池分类
目前有上车历史的燃料电池主要为以下三 种：
碱性燃料电池（Alkaline Fuel Cell，AFC） 磷酸型燃料电池（Phosphoric Acid Fuel
Cell，PAFC） 质子交换膜燃料电池(Proton Exchange
Membrane Fuel Cell, PEMFC)
AFC，PAFC，PEMFC三种 燃料电池的发展概况
燃料电池的发展趋势
燃料电池发展的第一课题是降低成本， 第二是选择材料，第三是提高性能。 降低成本主要是因为材料的价格很高。 车载用50kw系统仅氟高分子膜就要花费近 7400美元。另外， 在电池单元的电极中使用的白金催化剂也 是高成本的材料之一。50kw的系统中白金 催化剂就要花费将近5000美元。 燃料的选择：燃料采用氢后，重整器 部分的成本可以减免，系统得以简化。氢 的储存则采用储氢合金或者高压储气罐。
燃料电池
燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂 中的化学能通过电极反应直接转化为电能 的发电装置。它平时将燃料（如氢气、甲 醇等）和氧化剂（如氧气）分别作为电池 两极的活性物质保存在电池的本体之外， 当使用时连续通入电池体内，使电池发电。 燃料电池本体由质子交换膜，膜电极， 集流板三部分组成。
燃料电池实质上是电化学反应发生器，它 的燃料主要是氢气。 反应机理是将燃料中 的化学能不经燃烧而直接转化为电能。电 化反应步骤为：经增湿后的氢气和氧气分 别进入阳极室和阴极室，经气体电极扩散 层扩散，到达催化层与质子交换膜的界面， 分别在催化剂作用下发生氧化和还原反应。
燃料电池发展史
燃料电池发展史1. 燃料电池的发现1.1 早期实验•燃料电池的初步概念•燃料电池的原理探索1.2 第一个燃料电池•诺贝尔的开创性实验•第一个工作燃料电池的诞生2. 燃料电池的早期发展2.1 燃料电池类型的多样化•碱性燃料电池的出现•酸性燃料电池的研究进展•质子交换膜燃料电池的发展2.2 应用领域的扩展•航天领域中的燃料电池应用•陆地交通工具上的燃料电池引入•燃料电池在储能领域的应用3. 燃料电池的商业化进程3.1 商用燃料电池的挑战•成本与效率的平衡问题•氢气供应与储存的挑战•安全性问题与监管要求3.2 燃料电池汽车的推广•燃料电池汽车的技术突破•政府政策的支持与推动•燃料电池汽车市场的发展与竞争4. 燃料电池的未来展望4.1 研究方向与技术突破•更高效的燃料电池材料与结构•储氢技术的突破与创新•燃料电池堆与系统的优化4.2 燃料电池的应用前景•燃料电池在电力行业中的作用•燃料电池在建筑领域的应用前景•燃料电池的环境效益与可持续发展潜力总结：燃料电池作为一种清洁高效的能源转化装置，经历了从发现到商业化的漫长历程。
早期实验为燃料电池的发展奠定了基础，随后的研究推动了燃料电池类型的多样化和应用领域的扩展。
然而，商业化过程中仍然面临诸多挑战，包括成本、供氢与储氢、安全性等问题。
然而，燃料电池汽车的推广为燃料电池的商业化进程注入了新的活力。
展望未来，燃料电池的研究仍然有许多方向可以探索，应用领域的前景也十分广阔。
燃料电池在电力、建筑等领域的应用将为我们的社会带来巨大的环境效益和可持续发展潜力。
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）
燃料电池的发展历程
燃料电池的发展历程燃料电池是一种能够将化学能转化为电能的装置。
它的发展历程可以追溯到19世纪初，但直到最近几十年间，燃料电池才开始引起人们的广泛关注和研究。
燃料电池的发展历程可以分为四个阶段：早期研究、实验室研究、商业化应用和未来发展。
在早期研究阶段，燃料电池只是一种理论上的概念，科学家们开始研究如何将化学能转化为电能。
1839年，德国科学家威廉·罗伯特·格罗夫首次提出了燃料电池的概念，并成功实现了将氢气和氧气通过电化学反应产生电能的原理。
然而，在当时的技术条件下，燃料电池的效率非常低，且成本高昂，无法实际应用。
随着科学技术的不断进步，燃料电池进入了实验室研究阶段。
20世纪60年代，燃料电池的研究重点逐渐从理论转向实验。
科学家们开始尝试使用不同的材料和催化剂来改善燃料电池的效率和稳定性。
在这一阶段，研究人员提出了多种不同类型的燃料电池，如质子交换膜燃料电池（PEMFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）等。
这些不同类型的燃料电池具有各自的特点和应用领域，为燃料电池的商业化应用打下了基础。
商业化应用是燃料电池发展的一个重要阶段。
随着对清洁能源需求的增加，燃料电池作为一种高效、环保的能源转换装置受到了广泛关注。
燃料电池开始被应用于一些特定领域，如航空航天、交通运输和能源供应等。
1994年，美国国家航空航天局（NASA）成功地将燃料电池用于航天器的能源供应，这标志着燃料电池的商业化应用的开始。
随后，燃料电池逐渐被应用于汽车、家庭能源等领域，取得了显著的进展。
然而，由于成本高昂、储氢和储氧困难等问题，燃料电池的商业化应用仍面临一定的挑战。
未来，燃料电池的发展方向主要集中在提高效率、降低成本和解决储氢问题。
科学家们正在研究新的材料和催化剂，以提高燃料电池的能量转化效率。
同时，他们也在探索更廉价的材料和制造工艺，以降低燃料电池的成本。
此外，研究人员还在寻找新的氢气储存材料和技术，以解决储氢问题。
氢燃料电池技术路线
氢燃料电池技术路线1. 介绍氢燃料电池是一种能够将氢气和氧气反应产生电能的装置。
它是一种清洁、高效的能源转换技术，被广泛认为是未来能源领域的重要发展方向之一。
本文将对氢燃料电池技术的发展历程及未来路线进行探讨。
2. 氢燃料电池的发展历程2.1 第一代燃料电池技术（1960s - 1980s）•首次实现了将氢气和氧气反应产生电能的原理。
•采用贵金属催化剂（如铂）作为电极材料，存在成本高、供给稀缺等问题。
2.2 第二代燃料电池技术（1990s - 现在）•开发了新型催化剂（如铂合金、非贵金属材料）以降低成本，并提高电池的性能和寿命。
•引入了新的膜电解质材料（如聚合物电解质），改进了电池的耐久性和抗污染性能。
•实现了燃料电池的商业化应用，例如汽车、移动电源等领域。
2.3 第三代燃料电池技术（未来展望）•研发更先进的催化剂和电解质材料，以进一步降低成本并提高电池的性能。
•提高电池的能量密度和功率密度，以满足不同应用场景的需求。
•探索新的氢气储存和供应技术，以解决氢燃料电池的可持续性问题。
3. 氢燃料电池技术路线3.1 硷性燃料电池（AFC）•使用氢气和氧气的水溶液作为电解质，催化剂使用铂。
•适用于电力站等大型应用，但存在催化剂易受污染、寿命短等问题。
3.2 聚合物电解质燃料电池（PEFC）•使用固体聚合物膜作为电解质，催化剂使用铂合金。
•具有高效能、低温运行等特点，适用于汽车和移动电源等应用。
3.3 氧气氧化物燃料电池（SOFC）•使用固体氧化物膜作为电解质，催化剂通常采用镍、钇稀土合金等。
•工作温度较高，具有较高的能量转化效率，适用于大功率应用场景。
3.4 直接甲醇燃料电池（DMFC）•直接利用甲醇作为燃料，无需先制备氢气。
•适用于便携式电源等小功率应用，但甲醇的储存和供应仍然是挑战。
3.5 固态氧化物燃料电池（SOEFC）•类似于SOFC，但是可以在燃烧反应中生成合成气（如一氧化碳和氢气）。
•可以实现电力和气体的共生生产，具有较高的能源转化效率。
燃料电池发展的历史 -回复
燃料电池发展的历史-回复燃料电池技术是一项能够将化学能转化为电能的技术，它具有高效、环保、可持续等诸多优势，因此在能源领域备受关注。
然而，燃料电池作为一种新兴技术，其发展历程并不平坦。
下面将通过一步一步回答的方式，来探讨燃料电池发展的历史。
第一步：燃料电池的起源燃料电池的概念最早可以追溯到19世纪。
1801年，英国化学家亨利·沃尔顿发明了一种名为“沃尔顿桥”的电池，将无水硫酸氢与铜形成的电池，可以将化学能转化为电能。
这被认为是燃料电池技术的起点。
第二步：发展早期的燃料电池从19世纪后期到20世纪初期，燃料电池技术呈现出了迅猛的发展势头。
在这一时期，燃料电池主要用作电动车辆的动力源。
1902年，法国工程师卡米尔·阿尔法恩提出了使用燃料电池驱动车辆的构想，并在1904年展示了第一辆使用燃料电池的电动车。
随后，燃料电池的研究工作逐渐扩大，并引起了世界各地科学家的兴趣。
第三步：第二次世界大战后的进展第二次世界大战后，对替代能源的需求增加，加速了燃料电池技术的研究和发展。
1949年，美国科学家威廉·格罗夫斯发明了一种全氟磺酸聚合物膜电极，解决了燃料电池的关键问题之一。
这一突破促进了燃料电池技术的进一步发展。
1959年，格罗夫斯用这种膜制成了世界上第一台氟酸燃料电池。
第四步：发展过程中的挑战与突破燃料电池技术在发展过程中面临着许多挑战。
其中最大的挑战之一是催化剂的选择和改进。
催化剂对于燃料电池的效率和性能有重要影响。
20世纪60年代，通过引入新的催化剂材料，如白金，燃料电池的效率得到了显著提高。
这使得燃料电池能够应用于一些特定的领域，如航空航天。
第五步：商业化与示范工程20世纪80年代，燃料电池技术进一步商业化，并开始应用于实际生产中。
1983年，美国首个燃料电池项目在佛罗里达州启动，用于给军用和商用车辆提供动力。
此后，各地相继启动了燃料电池示范工程，用于验证燃料电池技术的实用性和可行性。
(完整word版)燃料电池的应用与发展
燃料电池的应用与发展在今天这个经济高速发展的社会，资源问题成了大家关注的重点问题。
煤炭、石油量逐渐减少，人们迫切地寻求可替代资源来缓解能源危机。
燃料电池也开始为越来越多的人关注，对其的研究也在卓有成效的进行。
在中国，2008年奥运会，23辆燃料电池汽车示范运行7.6万公里。
到了2010年世博会，这个数字上升到196辆和91万公里。
燃料电池汽车是“十五”期间全国12个重大研究专项之一。
2012年3月两会期间，科技部电动汽车重大项目管理办公室副主任甄子健认为，燃料电池汽车在5到10年后，将可以像近两年的电动汽车一样，通过示范运行进入商业化销售阶段。
作为一种新技术燃料电池对于大家来说都还挺陌生，下面想来介绍一下加深大家的认识。
燃料电池发电是继水力、火力和核能发电之后的第四类发电技术。
它是一种不经燃烧直接以电化学反应方式将燃料和氧化剂的化学能转变为电能的高效发电装置。
1839年，英国的William Grove首次发现了水解过程逆反应的发电现象，燃料电池的概念从此开始。
100多年后，英国人Francis T．Bacon使燃料电池走出实验室，应用于人们的生产活动。
20世纪60年代，燃料电池成功应用于航天飞行器并逐步发展到地面应用。
今天，随着社会经济的飞速发展，随之而来的不仅是人类文明的进步，更有能源危机，生态恶化。
寻求高效、清洁的替代能源成为摆在全人类面前的重要课题。
继火力发电、原子能发电之后，燃料电池发电技术以其效率高、排放少、质量轻、无污染，燃料多样化等优点，正进一步引起世界各国的关注。
1.燃料电池的工作原理：燃料电池实际上是一个化学反应器，它把燃料同氧化剂反应的化学能直接转化为电能。
它没有传统发电装置上的原动机驱动发电装置，也没有直接的燃烧过程。
燃料和氧化剂从外部不断输入，它就能不断地输出电能。
它的反应物通常是氢和氧等燃料，它的副产品一般是无害的水和二氧化碳。
燃料电池的工作不只靠电池本身，还需要燃料和氧化剂供应及反应产物排放等子系统与电池堆一起构成完整。
- 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)。
燃料电池的历史和发展 燃料电池的特点和分类
质子交换膜燃料电池 国内外燃料电池的发展状况
GO！！
• 燃料电池(fuelcell)发电是继水力、火力 和核能发电之后的第四类发电技术。 • 它是一种不经过燃烧直接以电化学反应 方式将燃料和氧化剂的化学能转变为电 能的高效发电装置。
燃料电池的历史和发展
按工作温度
•高温型 •中温型 •低温型
BACK
按燃料来源
•直接式燃料电池（如直接甲醇燃料电池 ） •间接式燃料电池（如甲醇通过重整器产生氢气，然后以氢气 NEXT 为燃料电池的燃料 ） •再生类型
按电解质类型
磷酸盐型燃料电池（PAFC） 熔融碳酸盐燃料电池（MCFC） 固体氧化物燃料电池（SOFC） 碱性燃料电池（AFC） 质子交换膜燃料电池（PEMFC）
BACK
NEXT
尽管DMPEMFC具有无可比拟的优点，但要达 到实际应用还有大量问题有待进一步解决，目前它 的技术还很不成熟，仅处于研制阶段，性能最好的 也只有0.10W/cm2。而要达到实际应用，必须达到 0.25W/cm2以上，同时使电池满足性能高，寿命长 和价格低三个条件。
目前限制DMPEMFC实际应用的主要问 题是阳极催化剂低的活性、高价格和催化 剂的毒化。因此必须提高阳极催化剂的活 性，降低催化剂的用量，降低或消除催化 剂的毒化。
+ +
典型的 5KW PEMFC 电池组 结构 PEMFC 试验电厂 PEMFC箱体 （第一代） 200W 电池组（第一代）
优点：无需贵金属催化剂，无需CO2再循环，效率高 缺点：制备工艺复杂，工作温度高，价格昂贵
HOME
质子交换膜燃料电池
NEXT
质子交换膜燃料电池以磺酸型质子交换膜为固体电解质, 无电解质腐蚀问题，能量转换效率高，无污染，可室温快速启动。 质子交换膜燃料电池在固定电站、电动车、军用特种电源、可移 动电源等方面都有广阔的应用前景，尤其是电动车的最佳驱动电 源。它已成功地用于载人的公共汽车和奔驰轿车上 。
1839年英国的Grove发明了燃料电池， 并用这种以铂黑为电极催化剂的简单的氢 氧燃料电池点亮了伦敦讲演厅的照明灯。 由于氢气在自然界不能自由地得到，在随 后的几年中，人们一直试图用煤气作为燃 料，但均未获得成功。1866年， 人们发 现了机-电效应。这一发现启动了发电机 的发展，并使燃料电池技术黯然失色。
-
优点：无需贵金属催化剂，无需CO2再循环，效率高 缺点：制备工艺复杂，工作温度高，价格昂贵
固体氧化物燃料电池（SOFC）
电极材料： 正极：多孔Ni
负极：多孔Ni 电解质： ZrO2
工作温度：900~1000℃
燃料： H2 或CO
电池反应: 2H2+O2=2H2O 电极反应: 负极：2H2 + 2O – 4e = 2H2O 正极：O2 + 4e = 2O
磷酸型燃料电池（PAFC）
电极材料： 正极：高分散Pt 负极：高分散Pt 电解质： 浓H3PO4 工作温度：180~210℃
燃料： H2
电池反应: 2H2 + O2 = 2H2O 电极反应： 负极：2H2 - 4e=4H + 正极：O2 + 4H + + 4e = 2H2O 优点：抗CO2，可应用于独立电站
H2-O2质子交换膜燃料电池以H2为燃料，理论电动势为 1.229V,工作电压为0.80V,此电池制作较简单，寿命长，但使用 的贵金属较多，价格高。加上氢的储存和运输的问题， 人们开 始用甲醇，天然气等作为PEMFC的燃料。
BACK
中 国 矿 业 大 学
化 工 学 院
应 化 系
图3感≤1％，电解质电导率低
熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）
电极材料： 正极：高分散Ni
负极：高分散Ni 电解质： LiCO3-K2CO3(Na2CO3)
工作温度：600~700℃
燃料： CO 或 H2
电池反应: 2CO + O2 = 2CO2 电极反应: 负极：2CO – 4e + 2CO3 = 4CO2 正极：O2 + 2CO2 + 4e = 2CO3
22-
优点：无需贵金属催化剂，无需CO2再循环，效率高 缺点：制备工艺复杂，工作温度高，价格昂贵
质子交换膜燃料电池（PEMFC）
电极材料： 正极：高分散Pt
负极：高分散Pt ( Ru ) 电解质： 质子交换膜
工作温度：25~125℃
燃料： H2 或甲醇
电池反应: CH3OH+1.5O2= CO2+2H2O 电极反应: 负极： CH3OH+H2O - 6e=CO2+6H 正极： 6H + 6e +1.5O2=3H2O
1889年Mood和Langer首先采用了燃 料电池这一名称，但燃料电池的研究直到 20世纪50年代才有了实质性的进展。
试验电厂中的燃料电池组
NEXT
20世纪60年代初由于航天 和国防的需要，才开发了液氢 和液氧的小型燃料电池，应用 于空间飞行和潜水艇。从此， 氢氧燃料电池广泛应用于宇航 领域，同时，兆瓦级的磷酸燃 料电池也研制成功。
(2)电解质：
可以是固体，也可以是水溶液或熔融盐。
(3)燃料：
气体（如H2,CO 和碳氢化合物）。液体 (CH3OH、高价碳氢化合物）也可以是固体 （金属氢化物）
(4)氧化剂： 相对于燃料的选择，氧化剂的选择比较方便，纯氧 气O2 、空气或卤素X2都可以胜任，而空气是最便宜 的氧化剂。
燃料电池的分类
第一页 上一页 下一页 最后页
有机小分子作为 PEMFC燃料有以下优点：
常温常压下为液体，携带和储存都很方便 燃料最终产物是CO2和水，污染极小 来源丰富，价格低廉 无C-C键束缚，电化学活性高 甲醇燃料电池分为外生整式和内重整式两种。前者通过重整器把甲 醇重整为氢，然后在催化剂作用下与氧气反应产生电能。内重整无需重 整器，甲醇在阳极上直接氧化。与外重整型相比，它具有体积小、重量 轻、结构简单、操作容易、可靠性高、维修方便和价格低等优点，故而 最有希望成为小型电站和交通运输工具等动力电源。
22-
优点：无需贵金属催化剂，电池内部重整容易，Ni催化剂不怕CO中毒 缺点：电极材料寿命短，机械稳定性差，阴极需补充CO2，腐蚀
碱性燃料电池（AFC）
电极材料： 正极：高分散Ni
负极：高分散Ni 电解质： KOH 或 NaOH
工作温度：室温~100℃
燃料： H2
电池反应: 2H2+O2=2H2O 电极反应: 负极：2H2 + 4OH – 4e = 4H2O 正极：O2 + 2H2O + 4e = 4OH
燃料电池与一般电池的本质区别在于其能量供应 的连续性，燃料和氧化剂是从外部不断提供的。它具 有以下优点： 能 量 转 换 效 率 高 污 染 小 、 噪 声 低 高 度 可 靠 性 适 应 能 力 强
操
灵 建
作
活 设 周
简
性 期
单
大 短
比能量或比功率高
3.基本组成
(1)电极：
可以由具有催化活性的材料组成；也 可以只作为电化学反应的载体和反应电流 的传导体。
BACK NEXT
国内外燃料电池的发展状况
国外： 国内：
THE END！
空间站电力系统工作原理图
从80年代开始，各种小功率燃料电池在宇航、军事、交通 等各个领域中得到应用。 近二三十年来，由于一次能源的匮乏和环境保护的突出， 要求开发利用新的清洁再生能源。燃料电池由于具有能量转换 效率高、对环境污染小等优点而受到世界各国的普遍重视。
燃料电池的特点
燃料电池发生电化学反应的实质是燃烧反 应。它与一般电池不同之处在于燃料电池的正、 负极本身不包含活性物质，只是起催化转换作 用或传导电流的作用。所需燃料(氢或通过甲烷、 天然气、煤气、甲醇、乙醇、汽油等石化燃料 或生物能源重整制取)和氧(或空气)不断由外界 输入，因此燃料电池是名符其实的把化学能转 化为电能的装置。 中间未经燃烧。