基于Simulink的PEM燃料电池模拟器 摘要：基于一种面向控制的质子交换膜燃料电池的模型，本文中设计并实现了一种新型的燃料电池模拟器软件，利用Matlab/Simulink工具箱以及Matlab的界面编程能力，将燃料电池系统模块化，在GUI界面上，用户可以根据需要组合各个子系统构建燃料电池系统，并能向模块库中添加用户的模块。 关键字：燃料电池，模拟器，Matlab/Simulink Abstract: Based on a PEM fuel cell model, which is control oriented, This paper realized a tool named FUEL CELL Simulator, with the help of Matlab/Simulink toolboxes and Matlab GUI programming capability. This tool modularized fuel cells and established a subsystem library, thus enable users to group necessary modules to build up specific fuel cell system and also enable users to add modules into library. Keywords: Fuel cell, Simulator, Matlab/Simulink 1 引言 质子交换膜燃料电池已经大规模的应用在汽车，航天等等领域，因此对其建模，并根据模型性能评估，控制系统设计就显得尤为重要。国际上已有ADVISOR[1]，特定于燃料电池在汽车上模拟。学术界已经提出各种各样的模型，而此类模型大多只模拟燃料电池的部分特性。为了能在工程上使用燃料电池的模型来达到设计控制器以及评估燃料电池，需要一种面向控制的燃料电池模型，Jay T.pukruspan在[2]中提出一种面向控制的燃料电池模型，全面地描述了燃料电池的特性。本文集于此模型，更深入的将燃料电池的各个部分模块化，再基于Matlab/Simulink 和Matlab本身强大的界面编程能力，设计出了一套燃料电池模拟器，用户可以在GUI界面中进行燃料电池系统组合，模拟，辨识以及设计控制器。 2 质子交换膜燃料电池的结构及其面向控制的模型 图1：燃料电池系统的结构图 2.1 燃料电池的结构 燃料电池系统主要包括燃料电池反应堆，压缩机，流量控制器，加热器，散热器，加湿器等，各种不同的燃料电池系统的组成有所区别，图1的结构是复杂系统实验室的燃料电池系统的结构图。将燃料电池系统的各个部件模块化，用户就可以选择所需要的部件，组成合
燃料电池原理及习题解答 在中学阶段，掌握燃料电池的工作原理和电极反应式的书写是十分重要的。所有的燃料电池的工作原理都是一样的，其电极反应式的书写也同样是有规律可循的。书写燃料电池电极反应式一般分为三步：第一步，先写出燃料电池的总反应方程式；第二步，再写出燃料电池的正极反应式；第三步，在电子守恒的基础上用燃料电池的总反应式减去正极反应式即得到负极反应式。下面对书写燃料电池电极反应式“三步法”具体作一下解释。 1、燃料电池总反应方程式的书写 因为燃料电池发生电化学反应的最终产物与燃料燃烧的产物相同，可根据燃料燃烧反应写出燃料电池的总反应方程式，但要注意燃料的种类。若是氢氧燃料电池，其电池总反应方程式不随电解质的状态和电解质溶液的酸碱性变化而变化，即2H+O=2HO。若燃料是含碳元222素的可燃物，其电池总反应方程式就与电解质的状态和电解质溶液的酸碱性有关，如甲烷燃2-离子和 COO=CO+2H；在碱性电解质中生成和HO，即CH+2O料电池在酸性电解质中生成CO32242222-- O。，即CH+2OH+2O=CO+3HHO222432、燃料电池正极反应式的书写 因为燃料电池正极反应物一律是氧气，正极都是氧化剂氧气得到电子的还原反应，所以 O可先写出正极反应式，正极反应的本质都是O得电子生成22-2-2-离子，故正极反应式的基础都是 离子的存在形式与燃料电池的电解质的状态和电解质溶液的酸碱性。正极产生OO＋4e-=2O2有着密切的关系。这是非常重要的一步。现将与电解质有关的五种情况归纳如下。⑴电解质为酸性电解质溶液（如稀硫酸）2-2-2-+离子优先，O离子结合的微粒有H离子和HOO在酸性环境中，离子不能单独存在，可供O2-++。=2HO结合H离子生成H。这样，在酸性电解质溶液中，正极反应式为O＋4H+4eO222⑵电解质为中性或碱性电解质溶液（如氯化钠溶液或氢氧化钠溶液） 故在中性O生成OH离子只能结合在中性或碱性环境中，O离子也不能单独存在，OH2--或-2-2-离子， 碱性电解质溶液中，正极反应式为O＋2H=4OH。O +4e22 NaCO熔融盐混和物）和⑶电解质为熔融的碳酸盐（如LiCO3322-2-2-离子，则其正CO离子可结合离子也不能单独存在，在熔融的碳酸盐环境中，O OCO生成322-- +4eO极反应式为＋2CO。=2CO322⑷电解质为固体电解质（如固体氧化锆—氧化钇） 该固体电解质在高温下可允许离子在其间通过，故其正极反应式应为=2O＋O4e。22--，在不2-2-- O 同电解质环境中，其正极反应式4eO综上所述，燃料电池正极反应式本质都是=2O＋2的书写形式有所不同。因此在书写正极反应式时，要特别注意所给电解质的状态和电解质溶液的酸碱性。 3、燃料电池负极反应式的书写燃料电池负极反应物种类比较繁多，可为氢气、水煤气、甲烷、丁烷、甲醇、乙醇等可 燃性物质。不同的可燃物有不同的书写方式，要想先写出负极反应式相当困难。一般燃料电 池的负极反应式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式和正极反应式，然后在电子守恒的基础上用总反应式减去正极反应式即得负极反应式。 下面主要介绍几种常见的燃料电池。 一、氢氧燃料电池 氢氧燃料电池一般是以惰性金属铂（Pt）或石墨做电极材料，负极通入H，正极通入 O，22总反应为：2H + O === 2HO222电极反应特别要注意电解质，有下列三种情况：
?变式训练1：写出铅蓄电池（铅、二氧化铅、硫酸）放电时的电极反应式。 （2010山东卷）29．②以铝材为阳极，在H 2SO 4 溶液中电解，铝材表面形成氧化膜，阳极电极反应为 。 （4）用K 2EO 4和Zn 作原料的电池是一种新型可充电电池，该电池长时间保持稳定的放电电压。其总反应可写成：3Zn ＋2K 2EO 4＋8H 2O 3Zn(OH)2＋2E(OH)3＋ 4KOH ，则充电时的阳极反应是 。 2． 熔融碳酸盐燃料电池是以熔融的碳酸盐为电解质的燃料电池，其工作原理如下图所示： （1）电极b 是该燃料电池的（填“正”或“负”）______极。 （2）若以氢气为燃料，则A 是（填化学式） ，Y 是（填化学式） ； CO 32－的移动方向是移向（填“电极a ”或“电极b ”） ； 电极b 的电极反应 。 （4）该熔融盐燃料电池是以熔融碳酸盐为电解质，以CH 4为燃料，空气为氧化剂，稀土金属材料为电极。 已知负极的电极反应是CH 4 + 4CO 32- 8e －= 5CO 2 + 2H 2O 。①正极电极反应 。 5．（2010宣武一模26）氨气是一种重要的物质，可用于制取化肥和硝酸等。 （5）有人设想寻求合适的催化剂和电极材料，以N 2、H 2为电极反应物，以HCl －NH 4Cl 为电解质溶液制取新型燃料电池。请写出该电池的正极反应式 。 2、 ⑵1998年希腊亚里士多德大学的两位科学家采用高质子导电性的SCY 陶瓷（能传导H +），从而实现了高转化率的电解法合成氨。 阴极的电极反应式为 。 8、（2011丰台区26（2）③ 铁屑与石墨能形成微型原电池，SO 32—在酸性条件下 放电生成H 2S 进入气相从而达到从废水中除去Na 2SO 3的目的，写出SO 32—在酸性条件下放电生成H 2S 的电极反应式： 。 答案③ SO 32—+ 8H + + 6e —= H 2S ↑+ 3H 2O （2分） 2．普通水泥在固化过程中自由水分子减少并形成碱性溶液。根据这一物理化学 负载 电极 电极 A B X Y Y Y Z － －
电化学阻抗谱的应用及其解析方法 交流阻抗法是电化学测试技术中一类十分重要的方法，是研究电极过程动力学和表面现象的重要手段。特别是近年来，由于频率响应分析仪的快速发展,交流阻抗的测试精度越来越高，超低频信号阻抗谱也具有良好的重现性，再加上计算机技术的进步，对阻抗谱解析的自动化程度越来越高，这就使我们能更好的理解电极表面双电层结构，活化钝化膜转换，孔蚀的诱发、发展、终止以及活性物质的吸脱附过程。 阻抗谱中的基本元件 交流阻抗谱的解析一般是通过等效电路来进行的，其中基本的元件包括：纯电阻R ，纯电容C ，阻抗值为1/j ωC ，纯电感L ，其阻抗值为j ωL 。实际测量中，将某一频率为ω的微扰正弦波信号施加到电解池，这是可把双电层看成一个电容，把电极本身、溶液及电极反应所引起的阻力均视为电阻，则等效电路如图1所示。 图1. 用大面积惰性电极为辅助电极时电解池的等效电路 图中A 、B 分别表示电解池的研究电极和辅助电极两端，Ra 、Rb 分别表示电极材料本身的电阻，Cab 表示研究电极与辅助电极之间的电容，Cd 与Cd ’表示研究电极和辅助电极的双电层电容，Zf 与Zf ’表示研究电极与辅助电极的交流阻抗。通常称为电解阻抗或法拉第阻抗，其数值决定于电极动力学参数及测量信号的频率，Rl 表示辅助电极与工作电极之间的溶液 电阻。一般将双电层电容Cd 与法拉第阻抗的并联称为界面阻抗Z 。 实际测量中，电极本身的内阻很小，且辅助电极与工作电极之间的距离较大，故电容Cab 一般远远小于双电层电容Cd 。如果辅助电极上不发生电化学反映，即Zf ’特别大，又使辅助 电极的面积远大于研究电极的面积（例如用大的铂黑电极），则Cd ’很大，其容抗Xcd ’比串 联电路中的其他元件小得多，因此辅助电极的界面阻抗可忽略，于是图1可简化成图2，这也是比较常见的等效电路。 图2. 用大面积惰性电极为辅助电极时电解池的简化电路 Element Freedom Value Error Error %Rs Free(+)2000N/A N/A Cab Free(+)1E-7N/A N/A Cd Fixed(X)0N/A N/A Zf Fixed(X)0N/A N/A Rt Fixed(X)0N/A N/A Cd'Fixed(X)0N/A N/A Zf'Fixed(X)0N/A N/A Rb Free(+)10000N/A N/A Data File: Circuit Model File:C:\Sai_Demo\ZModels\12861 Dummy Cell.mdl Mode: Run Fitting / All Data Points (1 - 1) Element Freedom Value Error Error %Rs Fixed(X )1500N/A N/A Zf Fixed(X )5000N/A N/A Cd Fixed(X ) 1E-6 N/A N/A Data File: Circuit Model File:C:\Sai_Demo\ZModels\Tutor3 R-C.mdl Mode: Run Simulation / Freq. Range (0.01 - 10000Maximum Iterations: 100 B
电池测试之电化学阻抗谱的详细资料简介 许多研究电池的小伙伴，在最开始接触交流阻抗相关知识时，可能会非常排斥。因为无论是巴德的《电化学原理与应用》还是曹楚南、张鉴清的《电化学阻抗谱导论》，书中都是通过严谨公式推导来讲述的。今天，我们将尽量的避开公式，尽可能的分析交流阻抗谱尤其是其在锂电池中的应用。 电化学阻抗谱是一种相对来说比较新的电化学测量技术，它的发展历史不长，但是发展很迅速，目前已经越来越多地应用于电池、燃料电池以及腐蚀与防护等电化学领域。 电化学阻抗谱（Electrochemical Impedance Spectroscopy，EIS） 即给电化学系统施加一个频率不同的小振幅的交流正弦电势波，测量交流电势与电流信号的比值（系统的阻抗）随正弦波频率ω的变化，或者是阻抗的相位角f随ω的变化。 可以更直观的从这个示意图来看，利用波形发生器，产生一个小幅正弦电势信号，通过恒电位仪，施加到电化学系统上，将输出的电流/电势信号，经过转换，再利用锁相放大器或频谱分析仪，输出阻抗及其模量或相位角。通过改变正弦波的频率，可获得一些列不同频率下的阻抗、阻抗的模量和相位角，作图即得电化学阻抗谱-这种方法就称为电化学阻抗谱法。由于扰动电信号是交流信号，所以电化学阻抗谱也叫做交流阻抗谱。 利用EIS可以分析电极过程动力学、双电层和扩散等，可以研究电极材料、固体电解质、导电高分子以及腐蚀防护机理等。 基本思路——将电化学系统看成等效电路 利用电化学阻抗谱研究一个电化学系统时，它的基本思路是将电化学系统看作是一个等效电路，这个等效电路是由电阻（R）、电容（C）、电感（L）等基本元件按串联或并联等不同方式组合而成。通过EIS，可以定量的测定这些元件的大小，利用这些元件的电化学含义，来分析电化学系统的结构和电极过程的性质。 我们可以将内部结构未知的电化学系统当作一个黑箱，给黑箱输入一个扰动函数（激励函数），黑箱就会输出一个响应信号。用来描述扰动与响应之间关系的函数，称为传输函数。
电化学社会期刊,153(6)A956-A960(2006) 0013-4651/2006/153(6)/ A956/5 / $ 20.00?电化学的社会 比较阳极支撑固体氧化物燃料电池在氢气和甲烷层中使用一层薄薄Ce0.9Gd0.1O1.95和BaCe0.8Y0.2O3?a的电解质的性能Atsuko Tomita,a Shinya Teranishi,b,* Masahiro Nagao,b,* Takashi Hibino,b,**,z and Mitsuru Sano b,** a国立先进工业科学和技术（综合研究所），名古屋463-8560，日本 b环境学研究生院，名古屋大学，名古屋464-8601，日本 在阳极支撑的Ni-Ce0.8Sm0.2O1.9上用溶胶凝胶法制备的多层Ce0.9Gd0.1O1.95/BaCe0.8Y0.2O3-a/Ce0.9Gd0.1O1.95（GDC / BCY / GDC）电解质。整体电解质厚度包括3微米厚的BCY层为30至35微米。当阴极在氢气与阳极在空气中的多层电解质电池在500-700 °C的温度范围内进行测试，它产生846-1024mV的开路电压，均超过了在相同条件下单层GDC的电解质电池获得的753-933mV的开路电压。且在500，600和700℃时相应功率密度的峰值分别为273，731，和1025mW/cm2。多层电解质电池也适用于甲烷固体氧化物燃料电池（SOFC）和含有甲烷和空气混合物的单室固体氧化物燃料电池。这些固体氧化物燃料电池产生880-950 mV的开路电压和无焦化合理的功率密度。 ? 2006电化学学会。分类号：10.1149/1.2186184 保留所有权利。 手稿于2005年11月25日提交;修改稿于2006年1月26日收到。于2006年4月6日通过。 最近人们对在中温700 ° C或以下的固体氧化物燃料电池（SOFC）产生了相当大的兴趣。与聚合物电解质燃料电池（PEFCs）相比，中温固体氧化物燃料电池（固体氧化物燃料电池技术）不仅可以承受高浓度CO，而且可以在更高的电极反应速率中工作。不同于传统的高温固体氧化物燃料电池，中温固体氧化物燃料电池技术允许的碳氢燃料直接使用，大大降低了燃料电池系统的复杂性。一个在固体氧化物燃料电池技术发展的关键问题是高度导电离子电解质的使用，因为在这种条件下会引起固体氧化物燃料电池内过度电阻的运作。铈基氧化物离子导体是前景广阔的电解质表现在其远高于氧化锆（YSZ）的离子电导率。与先进的阳极支持的电池结构结合，氧化铈基固体氧化物燃料电池可以在中温时维持合适的性能。 在使用铈基电解质固体氧化物燃料电池遇到的主要技术问题是部分氧化铈在燃料气氛中会减少。在n -型导电电子中这样的结果造成电池内部局部电子短路。这也导致晶体的晶格膨胀，导致内部电解质或电极界面的电解质被机械降解。因此，氧化铈基固体氧化物燃料电池必须在低于500 ° C加以处理，因为其中的热力学性能会抑制氧化铈减少。 最近，我们提出了一个避免局部氧化铈的减少的有效途径。在掺杂Sm3+或Gd3+的氧化铈基片表面涂上一层0.5毫米厚度的BaO薄膜然后加热至1500 ° C。此时，在薄膜与基片之间的固态反应在基片表面形成一层10微米厚的 BaCe 1?x Sm x (or Gd x )O 3?a 薄层。使用这种有涂层的电解质，氢氧固体氧化物燃 料电池在600-950℃温度范围的开路电压在1伏以上。且中间层在允许无分层和
一、氢氧燃料电池 令狐采学 氢氧燃料电池一般是以惰性金属铂（Pt）或石墨做电极材料，负极通入H2，正极通入 O2， 总反应为：2H2 + O2 === 2H2O 电极反应特别要注意电解质，有下列三种情况： 1．电解质是KOH溶液（碱性电解质） 负极发生的反应为：H2 + 2e- === 2H+ ,2H+ + 2OH- === 2H2 O,所以： 负极的电极反应式为：H2 – 2e- + 2OH- === 2H2O； 正极是O2得到电子，即：O2 + 4e- === 2O2- ，O2- 在碱性条件下不能单独存在，只能结合H2O生成OH-即：2O2- + 2H2 O === 4OH- ，因此， 正极的电极反应式为：O2 + H2O + 4e- === 4OH- 。 2．电解质是H2SO4溶液（酸性电解质） 负极的电极反应式为：H2 +2e- === 2H+ 正极是O2得到电子，即：O2 + 4e- === 2O2- ，O2- 在酸性条件下不能单独存在，只能结合H+生成H2O即：O2- + 2 H+ = == H2O，因此 正极的电极反应式为：O2 + 4H+ + 4e- === 2H2O(O2 + 4e- == = 2O2- ，2O2- + 4H+ === 2H2O) 3. 电解质是NaCl溶液（中性电解质）
负极的电极反应式为：H2 +2e- === 2H+ 正极的电极反应式为：O2 + H2O + 4e- === 4OH- 说明： 1.碱性溶液反应物、生成物中均无H+ 2.酸性溶液反应物、生成物中均无OH- 3.中性溶液反应物中无H+ 和OH- 4.水溶液中不能出现O2- 二、甲醇燃料电池 甲醇燃料电池以铂为两极,用碱或酸作为电解质： 1．碱性电解质（KOH溶液为例） 总反应式：2CH4O + 3O2 +4KOH=== 2K2CO3 + 6H2O 正极的电极反应式为：3O2+12e- + 6H20===12OH- 负极的电极反应式为：CH4O -6e-+8OH- === CO32-+ 6H2O 2. 酸性电解质（H2SO4溶液为例） 总反应: 2CH4O + 3O2 === 2CO2 + 4H2O 正极的电极反应式为：3O2+12e-+12H+ === 6H2O 负极的电极反应式为：2CH4O-12e-+2H2O === 12H++ 2CO2说明：乙醇燃料电池与甲醇燃料电池原理基本相同 三、甲烷燃料电池 甲烷燃料电池以多孔镍板为两极,电解质溶液为KOH，生成的CO2还要与KOH反应生成K2CO3，所以总反应为：CH4 + 2 KOH+ 2O2 === K2CO3 + 3H2O。 负极发生的反应：CH4 – 8e- + 8OH- ==CO2 + 6H2O CO2 + 2OH- == CO32- + H2O，
1 熔融盐燃料电池具有高的发电效率，因而受到重视。可用Li2CO3和Na2CO3的熔融盐混合物作电解质，CO为负极燃气，空气与CO2的混合气为正极助燃气，制得在650℃下工作的燃料电池，完成有关的电池反应式：(1999年理综) 负极反应式： 正极反应式：O2+2CO2+4e=2CO32- 总电池反应式： 2（08山东理综） T29．(12分）北京奥运会"祥云火炬燃料是丙烷（C3H8），亚特兰大奥运会火炬燃料是丙烯（C3H6）。 (l）丙烷脱氢可得丙烯。 已知：C3H8(g）=CH4(g)＋HC≡CH(g)＋H2(g）△H1=156.6KJ·mol－1 CH3CH=CH2(g）=CH4(g)＋HC≡CH(g) △H2=32.4KJ·mol－1 则相同条件下，反应C3H8(g)=CH3CH=CH2(g）＋H2(g）的△H= KJ·mol－1 (2）以丙烷为燃料制作新型燃料电池，电池的正极通人O2和CO2，负极通人丙烷．电解质是熔融碳酸盐。电池反应方程式为；放电时，CO32－移向电池的（填“正”，或“负”）极。(3）碳氢化合物完全燃烧生成CO2和H2O。常温常压下，空气中的CO2，溶于水达到平衡时，溶液的pH=5.6，c(H2CO3）=l.5×10-5mol·L-1。若忽略水的电离及H2CO3的第二级电离，则H2CO3 HCO3－+ H+ 的平衡常数K1= 。（已知：10-5.60=2.5×10-6) (4）常温下，0.lmol·L-1NaHCO3溶液的pH大于8，则溶液中c(H2CO3) c(CO32－）（填“>”、“=”或“＜”)，原因是（用离子方程式和必要的文字说明）。
Fuel Cell Glossary Activation voltage loss: 活化电压损失 Activation energy: 活化能 Activation impedance loop：活化阻抗回路 Activation kinetics: 活化反应动力学 Activation barrier: 活化壁垒 Activation overpotential: 活化过电位 Air relative permeability: 空气相对渗透率 Air-water two-phase flow: 水-气两相流 Anode heat exchanger: 阳极热交换器 Anode subsystem: 阳极子系统 Arrhenius relationship: 阿伦尼乌斯关系 Associative pathway: 旁路，侧路 Atmospheric CO2 concentration: 大气CO2浓度Automotive fuel cells: 汽车用燃料电池 Avogadro’s number: 阿伏伽德罗常数 AC/DC converter: 交流/直流转换器 Alkaline fuel cell: 碱性燃料电池 AFM: atomic force microscopy: 原子力显微镜 Air blower: 风机 Air pollution: 空气污染 Air supply: 供气 Aqueous potassium hydroxide: 氢氧化钾溶液Ammonium borohydride:NH4BH4硼氢化铵 Anaerobic digester gas(ADG): 厌氧沼气 Anode Galvani potential: 阳极伽伐尼电位 Anode supported MEA: 阳极支撑膜电极 Aqueous alkaline electrolyte: 含水的碱性电解质Aqueous electrolyte/ionic liquids: 含水电解质/离子溶液Area-normalized reaction rates: 面积归一化的反应速率Area-specific resistance: 面阻抗 Arhenius conductivity equation: 阿伦尼乌斯导电率方程Aromatic hydrocarbon membranes: 芳香族碳氢化合物膜Asiplex(Asahi Chemical Industry): 朝日化工 Back-diffusion water fluxes: 反扩散水通量 Backward flux: 反向通量 Batteries: 电池 Binary diffusion coefficient: 二元扩散系数 Biological fuel cells: 生物燃料电池 Bipolar plates: 双极板
电化学曲线极化曲线阻抗谱分析 一、极化曲线 1.绘制原理 铁在酸溶液中，将不断被溶解，同时产生H2，即：Fe + 2H+ = Fe2+ + H2 (a) 当电极不与外电路接通时，其净电流I总为零。在稳定状态下，铁溶解的阳极电流I(Fe)和H＋还原出H2的阴极电流I(H)，它们在数值上相等但符号相反，即：(1) I(Fe)的大小反映Fe在H+中的溶解速率，而维持I(Fe)，I(H)相等时的电势称为Fe／H+体系的自腐蚀电势εcor。 图1是Fe在H+中的阳极极化和阴极极化曲线图。图2 铜合金在海水中典型极化曲线 当对电极进行阳极极化(即加更大正电势)时，反应(c)被抑制，反应(b)加快。此时，电化学过程以Fe的溶解为主要倾向。通过测定对应的极化电势和极化电流，就可得到Fe／H+体系的阳极极化曲线rba。 当对电极进行阴极极化，即加更负的电势时，反应(b)被抑制，电化学过程以反应(c)为主要倾向。同理，可获得阴极极化曲线rdc。 2.图形分析 （1）斜率 斜率越小，反应阻力越小，腐蚀速率越大，越易腐蚀。斜率越大，反应阻力越大，腐蚀速率越小，越耐腐蚀。 （2）同一曲线上各各段形状变化 如图2，在section2中，电流随电位升高的升高反而减小。这是因为此次发生了钝化现象，产生了致密的氧化膜，阻碍了离子的扩散，导致腐蚀电流下降。 （3）曲线随时间的变动 以7天和0天两曲线为例，对于Y轴，七天后曲线下移（负移），自腐蚀电位降低，说明更容易腐蚀。对于X轴，七天后曲线正移，腐蚀电流增大，亦说明更容易腐蚀。 二、阻抗谱 1.测量原理 它是基于测量对体系施加小幅度微扰时的电化学响应，在每个测量的频率点的原始数据中，都包含了施加信号电压（或电流）对测得的信号电流（或电压）的相位移及阻抗的幅模值。从这些数据中可以计算出电化学响应的实部和虚部。阻抗中涉及的参数有阻抗幅模（| Z |）、阻抗实部（Z,）、阻抗虚部（Z,,）、相位移（θ）、频率（ω）等变量，同时还可以计算出导纳（Y）和电容（C）的实部和虚部，因而阻抗谱可以通过多种方式表示。
燃料电池 所有的燃料电池的工作原理都是一样的，其电极反应式的书写也同样是有规律可循的。书写燃料电池电极反应式一般分为四步： ①写出燃烧反应正确的化学反应方程式； ②根据电解质溶液的酸碱性改写燃料电池总反应； ③写出正极的电极反应式； ④由燃料电池的总反应方程式减去正极的电极反应式得负极的电极反应式 1、燃料电池总反应方程式的书写 因为燃料电池发生电化学反应的最终产物与燃料燃烧的产物相同，可根据燃料燃烧反应写出燃料电池的总反应方程式，但要注意燃料的种类。若是氢氧燃料电池，其电池总反应方程式不随电解质的状态和电解质溶液的酸碱性变化而变化，即2H 2+O 2=2H 2O 。若燃料是含碳元素的可燃物，其电池总反应方程式就与电解质的状态和电解质溶液的酸碱性有关，如甲烷燃料电池在酸性电解质中生成CO 2和H 2O ，即CH 4+2O 2=CO 2+2H 2O ；在碱性电解质中生成CO 32-离子和H 2O ，即CH 4+2OH -+2O 2=CO 32-+3H 2O 。 2、燃料电池正极反应式的书写 因为燃料电池正极反应物一律是氧气，正极都是氧化剂氧气得到电子的还原反应，所以可先写出正极反应式，正极反应的本质都是O 2得电子生成O 2-离子，故正极反应式的基础都是O 2＋4e-=2O 2-。正极产生O 2-离子的存在形式与燃料电池的电解质的状态和电解质溶液的酸碱性有着密切的关系。这是非常重要的一步。现将与电解质有关的五种情况归纳如下。 ⑴电解质为酸性电解质溶液（如稀硫酸） 在酸性环境中，O 2-离子不能单独存在，可供O 2-离子结合的微粒有H +离子和H 2O ，O 2-离子优先结合H +离子生成H 2O 。这样，在酸性电解质溶液中，正极反应式为O 2＋4H ++4e -=2H 2O 。 ⑵电解质为中性或碱性电解质溶液（如氯化钠溶液或氢氧化钠溶液） 在中性或碱性环境中，O 2-离子也不能单独存在，O 2-离子只能结合H 2O 生成OH -离子，故在中性或碱性电解质溶液中，正极反应式为O 2＋2H 2O +4e -=4OH -。 ⑶电解质为熔融的碳酸盐（如LiCO 3和Na 2CO 3熔融盐混和物） 在熔融的碳酸盐环境中，O 2-离子也不能单独存在， O 2-离子可结合CO 2生成CO 32-离子，则其正极反应式为O 2＋2CO 2 +4e -=2CO 32-。 ⑷电解质为固体电解质（如固体氧化锆—氧化钇） 该固体电解质在高温下可允许O 2-离子在其间通过，故其正极反应式应为O 2＋4e -=2O 2-。 综上所述，燃料电池正极反应式本质都是O 2＋4e -=2O 2-，在不同电解质环境中，其正极反应式的书写形式有所不同。因此在书写正极反应式时，要特别注意所给电解质的状态和电解质溶液的酸碱性。 3、燃料电池负极反应式的书写 燃料电池负极反应物种类比较繁多，可为氢气、水煤气、甲烷、丁烷、甲醇、乙醇等可燃性物质。不同的可燃物有不同的书写方式，要想先写出负极反应式相当困难。一般燃料电池的负极反应式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式和正极反应式，然后在电子守恒的基础上用总反应式减去正极反应式即得负极反应式。 总反应化学方程式 总反应离子方程式 负极反应 正极反应 O 2 CH 4 H 2SO 4
熔融盐燃料电池
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熔融盐燃料电池 23．熔融碳酸盐燃料电池（MCFS），发明于1889年，上世纪的30~60年代在荷兰得到广泛的发展，而且建成了寿命超过40000小时的电池，可应用于中心电站。现有一个碳酸盐燃料电池，以一定比例Li2CO3和Na2CO3低熔混合物为电解质。操作温度为650℃，在此温度下以镍为催化剂，以煤气（CO、H2）直接作燃料，其工作原理如图所示。请回答下列问题： （1）B极为_______极，发生_______（填“氧化”或“还原”）反应，该极发生的电极反应为____________________________； （2）电池总反应为_________________________ 。 23．（1）正还原2CO2+O2+4e－＝2CO32－（2）CO+H2+O2CO2+H2O 13．MCFC型燃料电池可同时供应电和水蒸气，其工作温度为600℃左右，所用燃料为H2，电解质为熔融的K2CO3，已知：电池的总反应为2H2+O2====2H2O（该电池放电的过程中CO2被循环使用），则下列有关该电池的说法正确的是（）。 A．该电池的正极反应式为：4OH－+4e－===O2+2H2O B．该电池负极反应为：H2+CO32－－2e－===H2O+CO2 C．当电路中通过a mol电子时，则该电池理论上可供应18a g水蒸气 D．放电时CO32－向正极移动 21．（6分）熔融碳酸盐燃料电池（MCFS），发明于1889年，上世纪的30~60年代在荷兰得到广泛的发展，而且建成了寿命超过40000小时的电池，可应用于中心电站。现有一个碳酸盐燃料电池，以一定比例Ll2CO3和Na2CO3低熔混合物为电解质。操作温度为650℃，在此温度下以镍为催化剂，以煤气（CO、H2）直接作燃料，其工作原理如图所示。请回答下列问题： （1）B极为______极，该极发生的电极反应为________________________； （2）电池总反应为____________________________________。 3
熔融碳酸盐燃料电池技术及其原理 链接：https://www.doczj.com/doc/2c6309417.html,/tech/16684.html 熔融碳酸盐燃料电池技术及其原理 熔融碳酸盐型燃料电池（Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC）是第二代燃料电池，由于其电解质是一种存在于偏铝 酸锂（LiAlO2）陶瓷基膜里的熔融碱金属碳酸盐混合物而得其名。熔融碳酸盐燃料电池是由多孔陶瓷阴极、多孔陶瓷电解质隔膜、多孔金属阳极、金属极板构成的燃料电池。其电解质是熔融态碳酸盐，通常是锂和钾，或锂和钠金属碳酸盐的二元混合物。反应原理示意图如下： 阴 极： O2 + 2CO2 + 4e - →2CO32- 阳 极： 2H2 + 2CO32- → 2CO2 + 2H2O + 4e– 总反应： O2 ＋ 2H2 → 2H2O 在这一反应中，e-从燃料极被放出，通过外部的回路反回到空气极，由e- 在外部回路中不间断的流动实现了燃料电池发电。另外，MCFC的最大特点是，必须要有有助于反应的CO32-离子，因此，供给的氧化剂气体中必须含有碳酸气体。并且，在电池内部充填触媒，从而将作为天然气主成份的CH4 在电池内部改质，在电池内部直接生成H2 的方法也已开发出来了。而在燃料是煤气的情况下，其主成份CO 和H2O反应生成H2，因此，可以等价地将CO作为燃料来利用。为了获得更大的出力，隔板通常采用Ni和不锈钢来制作。 熔融碳酸盐燃料电池是一种高温电池（600～700℃），具有效率高（高于40%）、噪音低、无污染、燃料多样化（ 氢气、煤气、天然气和生物燃料等）、余热利用价值高和电池构造材料价廉等诸多优点，是未来的绿色电站。 50年代初，熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）由于其可以作为大规模民用发电装置的前景而引起了世界范围的重视。在这之后，MCFC发展的非常快，它在电池材料、工艺、结构等方面都得到了很大的改进，但电池的工作寿命并不理想。到了80年代，它已被作为第二代燃料电池，而成为实现兆瓦级商品化燃料电池电站的主要研究目标，研制速度日益加快。现在MCFC的主要研制者集中在美国、日本和西欧等国家。现已基本接近商品化生产，但由于其制备成本高而未能广泛应用。 国内开展MCFC研究的单位不太多。哈尔滨电源成套设备研究所在80年代后期曾研究过MCFC，90年代初停止了这 方面的研究工作。1993年中国科学院大连化学物理研究所在中国科学院的资助下开始了MCFC的研究，自制LiAlO2微粉，用冷滚压法和带铸法制备出MCFC用的隔膜，组装了单体电池，其性能已达到国际80年代初的水平。90年代初，中国科学院长春应用化学研究所也开始了MCFC的研究，在LiAlO2微粉的制备方法研究和利用金属间化合物作MCFC 的阳极材料等方面取得了很大进展。北京科技大学于90年代初在国家自然科学基金会的资助下开展了MCFC的研究，主要研究电极材料与电解质的相互作用，提出了用金属间化合物作电极材料以降低它的溶解。中国科学院上海冶金研究所近年来也开始了MCFC的研究，主要着重于研究氧化镍阴极与熔融盐的相互作用。1995年上海交通大学与长庆油田合作开始了MCFC的研究，目标是共同开发5kW～10kW的MCFC。中国科学院电工研究所在"八五"期间，考察了国外MCFC示范电站的系统工程，调查了电站的运行情况，现已开展了MCFC电站系统工程关键技术的研究与开发。 原文地址：https://www.doczj.com/doc/2c6309417.html,/tech/16684.html 页面 1 / 1
FUEL CELL APPLICATION HANDBOOK 燃料电池应用手册 PERFORMANCE TESTING AND DESIGN VALIDATION 性能测试和设计的验证 概述: 燃料电池工业正在向技术的商业化阶段迈进。研究、设计、检测仪表的配置以及燃料电池性能的测试是在该领域获得进步的核心问题。从各种电池化学原理的研究和监测，到模块或电堆水平的设计验证，直至系统及生产测试，燃料电池的测试正面临着独特的挑战。这本手册介绍了典型的燃料电池试验步骤和试验装置的总体结构。 目录: 1. 燃料电池系统概述 ...................................................................................................................................... 1 2. 电池单元电压的监控 (CVM) .................................................................................................................... 2 3. 电堆应力测试 ............................................................................................................................................. 4 4. 温度分布检测 ............................................................................................................................................ 6 5. 过程控制和监控 ................................................ ................................................................................. 7 6. 用电化学阻抗频谱法进行阻抗测试 ............................................................................................. 10 7. 用电流中断法进行阻抗测试 .............................................................................................................. 12 8. 用PZ4000数字功率分析仪进行逆变器测试和功率分析 ........................................................................... 13 9. 用WT1600数字功率分析仪进行逆变器测试 ............................................................................................ 15 10. 用WT2030数字功率分析仪进行逆变器测试 .. (16) 逆变器 电堆 重整器 空气 空气供应 设备 废热回收系统 输出的 电能 热水 燃料电池电堆的测试 功率的调节 燃料的储存、供应和处理
燃料电池的建模仿真 虚拟样机是燃料电池的开发研制中不可或缺的重要工具 燃料电池的发展创新将如百年前内燃机技术突破取代人力造成工业革命，也像电脑的发明普及取代人力的运算绘图及文书处理的电脑革命，又如网络通讯的发展改变了人们生活习惯的信息革命。燃料电池的高效率、无污染、建设周期短、易维护以及低成本的潜能将引爆21世纪新能源与环保的绿色革命。 图1 可拆分燃料电池的模型，可以作为手机电池实现多次充电。 如今，在北美、日本和欧洲，燃料电池发电正以急起直追的势头快步进入工业化规模应用的阶段，将成为21世纪继火电、水电、核电后的第四代发电方式。燃料电池技术在国外的迅猛发展必须引起我们的足够重视，现在它已是能源、电力行业不得不正视的课题。 燃料电池具有很多电子产品的优越性能，其中最突出的是高效率和高能量密度。燃料电池可以将氢、天然气、碳氢化合物中的化学能高效的转化为电能，非常适用于汽车以及固定使用的小规模耗能产品。燃料电池又因为具有很高的能量密度，使得他比普通电池更适于可携带设备。 在大部分汽车发动机中，汽油将燃烧产生的热能转化为机械能,转化效率受到卡诺循环的限制,普通的汽车的转化效率只有20%左右。燃料驱动的车辆，燃料中的化学能首先转化为电能，然后通过电动机将电能转化为机械能。这个过程不可避免的要受到卡诺循环的限制，导致内燃机引擎效率只有20%左右。而燃料电池理论上转化效率可高达90%左右，要远远高于内燃机引擎的效率。在实际应用中，这个效率能达到50%。这意味着使用同样的燃料，燃料电池汽车行驶的距离将是普通汽车的两倍。二氧化碳的排放量也更低，燃料电池低的运转温度几乎可以消除氮、硫氧化物的产生。
熔融盐燃料电池 23．熔融碳酸盐燃料电池（MCFS），发明于1889年，上世纪的30~60年代在荷兰得到广泛的发展，而且建成了寿命超过40000小时的电池，可应用于中心电站。现有一个碳酸盐燃料电池，以一定比例Li2CO3和Na2CO3低熔混合物为电解质。操作温度为650℃，在此温度下以镍为催化剂，以煤气（CO、H2）直接作燃料，其工作原理如图所示。请回答下列问题： （1）B极为_______极，发生_______（填“氧化”或“还原”）反应，该极发生的电极反应为____________________________； （2）电池总反应为_________________________ 。 23．（1）正还原2CO2+O2+4e－＝2CO32－（2）CO+H2+O2CO2+H2O 13．MCFC型燃料电池可同时供应电和水蒸气，其工作温度为600℃左右，所用燃料为H2，电解质为熔融的K2CO3，已知：电池的总反应为2H2+O2====2H2O（该电池放电的过程中CO2被循环使用），则下列有关该电池的说法正确的是（）。 A．该电池的正极反应式为：4OH－+4e－===O2+2H2O B．该电池负极反应为：H2+CO32－－2e－===H2O+CO2 C．当电路中通过a mol电子时，则该电池理论上可供应18a g水蒸气 D．放电时CO32－向正极移动 21．（6分）熔融碳酸盐燃料电池（MCFS），发明于1889年，上世纪的30~60年代在荷兰得到广泛的发展，而且建成了寿命超过40000小时的电池，可应用于中心电站。现有一个碳酸盐燃料电池，以一定比例Ll2CO3和Na2CO3低熔混合物为电解质。操作温度为650℃，在此温度下以镍为催化剂，以煤气（CO、H2）直接作燃料，其工作原理如图所示。请回答下列问题： （1）B极为______极，该极发生的电极反应为________________________； （2）电池总反应为____________________________________。