燃料电池技术 第一章 燃料电池简介

燃料电池燃料电池(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"。

能源的创造和消费已经成为当今世界不可或缺的根本要素。

通过能源的生产和利用，人们的衣食住行等需求得到了满足，并极大的提高了现代社会的生活质量，推动了现代技术的快速开展。

当前，一方面我们的家居、办公和生产等所需要的大局部能源均来自化石燃料，而一方面，化石燃料的使用在造就人类文明飞速开展的同时，也造成了很大的环境问题，这些环境问题反过来成为了制约人类社会进步开展的羁绊。

此外，人类对化石燃料的无序开采和低效使用与化石燃料储量的有限产生了矛盾，如果不能及时的寻找新的可替代能源，人类在用尽化石燃料后，将面临无能源可用的危机。

幸运的是，近年来出现的一些新的能源生产技术为解决上述问题提供了可能，这些技术包括核能技术、氢能源及燃料电池技术、太阳能技术、风能和生物能技术等。

其中，以燃料电池技术为代表的氢能源受到国内外专家学者和政府机构越来越多的青睐，燃料电池技术被认为是21世纪首选的清洁高效的发电技术，美国把燃料电池技术列为仅次于基因组方案和超级材料后的第三项重要技术加以支持。

燃料电池的原理最早是由WilliamGrove在1839年提出，20世纪50年代培根(Bacon)做了一些先驱性的工作；二十世纪六十年代由通用电气公司开发的质子交换膜燃料电池被美国宇航局用于“双子星座〞航天器的动力源。

随着上世纪80年代中期电池材料和制备技术的突破性进展，使燃料电池的性能大幅度提高，本钱大大降低，民用性和实用化前景较为看好。

而质子交换膜燃料电池发电过程中只产生水作为排放物，其越来越受到电动汽车行业的重视。

美国通用公司、戴姆勒克莱斯勒公司、福特公司和本田公司，德国尼奥普兰汽车公司，日本的丰田公司及瑞典的斯堪尼亚汽车公司等相继研发出了实用的以PEMFC为电源驱动的公共汽车和混合燃料电池车。

燃料电池技术及应用
一、什么是燃料电池
燃料电池（Fuel Cells）是一种新型的电池，而且它是基于化学反应
的可再生能源的新型电源，它可以将氢气、燃料或其他可燃物通过电极与
氧气发生化学反应，产生电能的化学电源技术。

二、燃料电池的工作原理
燃料电池是利用多种化学反应，将氢气与氧气之间的能量进行转换，
从而产生电能的一种新型能源技术。

其实，燃料电池的产生电能的本质是
利用氢和氧原子交流原子的方式，即燃料电池的正极（Anode）和负极（Cathode）之间的电解反应。

燃料电池的正极上，氢气会经过电解会解出电子和氢离子，离子通过
离子交换膜（IEM）流入负极，而电子经电导体传输到负极。

在负极上，
电子与氧气发生反应，会解出水和氧离子，这样，氢离子和氧离子再一次
通过离子交换膜组成水分子，从而完成一次电解反应，燃料电池中的电子
流就被产生出来了。

三、燃料电池的类型
1.燃料电池的类型
根据不同的燃料类型，燃料电池可以分为不同的类型：
（1）氢燃料电池(HFC)：氢燃料电池是以氢气为燃料，以氧气为氧化剂，将氢气和氧气发生化学反应而产生电能的一种新型能源技术。

（2）燃料池（DMFCs）：燃料池是一种利用有机物质（如乙醇，乙醚，乙醛等。

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。

燃料电池技术燃料电池技术燃料电池技术是一种基于氢气和氧气反应产生电能的技术。

与传统的燃烧发电不同，燃料电池发电是通过将燃料和氧气反应来产生电流，其过程中产生的唯一废气是水，这使得燃料电池技术成为一种清洁能源。

燃料电池技术也具有高效、低污染、噪音小、可靠性高等特点，成为替代石油的一种新型能源。

燃料电池技术的原理是利用氢气和氧气反应来产生电流。

燃料电池组由阳极、阴极和电解质等组成。

在阳极（负极）、氢气被分解成氢离子和电子，电子流过外部电路产生电流，氢离子穿过电解质膜和氧气反应，在阴极（正极）处生成水。

此外，燃料电池组还需要加热系统、水循环系统、压力调节系统等辅助设备。

不同类型的燃料电池技术所使用的燃料种类、氧化剂种类、电解质材料、电解质膜结构等都不同。

燃料电池技术的种类有多种。

其中最为成熟和应用广泛的是质子交换膜燃料电池（PEMFC）技术。

PEMFC燃料电池的工作温度较低（60-80°C），响应速度快，启动时间短，是目前最先进、最成熟的燃料电池技术之一，主要应用于轻型汽车、卡车、公交车等交通工具上。

锐思特公司是领先的PEMFC燃料电池技术供应商，其燃料电池产品能够广泛应用于交通工具、船舶、电网峰值调节等多个领域。

另外一种重要的燃料电池技术是直接甲醇燃料电池（DMFC）技术。

DMFC使用甲醇作为燃料，不需要氢气供应，既可以使用复杂的氢气加注系统，也可以使用便捷的甲醇加注系统。

与PEMFC相比，DMFC也有其独特的优势，如高能量密度、应用范围广、便捷使用等，被广泛用于微型发电机、便携式设备等场合。

另外，几种新型的燃料电池技术也在研发之中。

例如，固体氧化物燃料电池（SOFC）和碳燃料电池（DFC）等。

SOFC使用固体氧化物为电解质，能够直接处理天然气和生物质等废料，具有高效、低污染、无噪音等优点，适用于军用应急电源、绝缘电网等场合。

DFC则最初是美国能源部研究开发的，使用煤炭等含碳物质作为燃料，产生氧化碳和氢气，可以用来发电或者直接应用于化工原料制备等领域。

燃料电池燃料电池是一种把燃料和氧化剂中的化学能直接转化成电能的装置。

是继水力、火力、原子能发电方式之后的“第四种发电方式”。

燃料电池一般由燃料极（或称氢极）、空气极（或称氧极）以及夹在这两极之间的电解质构成。

工作时，由外部供给电池的氢在燃料极放出电子成为氢离子，氢离子通过电解质后移向空气极，而电子则通过外电路亦到达空气极。

在空气极，由外部供给电池的氧，与氢离子及电子进行反应生成水。

电能由外电路输出。

燃料电池与我们所熟悉的干电池虽然都是将化学能转换成电能的装置，但它们的最大不同点在于，封存在干电池中参予化学反应的物质终将耗尽，反应停止，也就不能输出电能了；而对于燃料电池，只要外界不断地供给它燃料气体和氧化剂，化学反应就能不间断地进行，它就能不停地输出电能。

现在研制的燃料电池有四种基本类型，即磷酸型、溶融碳酸盐型、固体电解质型及碱型燃料电池。

它们是根据电池中所用燃料、氧化剂、电解质的不同以及工作温度和构成方式的差别而划分的。

磷酸型燃料电池是用氢的纯度极高的天然气或甲醇作燃料，工作温度为200℃，反应过程用铂作催化剂，发电效率达40％。

溶融碳酸盐型燃料电池，使用的天燃气燃料中既含氢也含一氧化碳，还能用含氢纯度低的煤气作燃料，工作温度在600～700℃，化学反应活跃，不用铂等昂贵的催化剂，发电效率可达50％。

发电过程可利用所排热能，与汽轮机结合。

复合发电，这可使发电效率提高到55％左右；固体电解质型燃料电池中所用的电解质是陶瓷化合物，工作温度可高达800～1000℃，发电效率可达到50％以上；碱性燃料电池是以液氢为燃料，以液氧为氧化剂，成本极高。

美国只在“阿波罗”登月飞船和“挑战者”号航天飞机上使用了这种燃料电池。

这种燃料电池不仅作为飞船和航天飞机的电源系统，而且也为宇航员提供了不可缺少的生活用水及生命保障系统中所需的冷却用水，这一特点是其他电源所望尘莫及的。

燃料电池从1839年弄清了其发电原理到现在，已经有100多年的历史了。

燃料电池技术概念简述本页仅作为文档封面，使用时可以删除This document is for reference only-rar21year.March2.1.1.技术简介2.1.1.1.燃料电池原理燃料电池是一种能量转换装置。

它按电化学原理，即原电池（如日常所用的锌锰干电池）的工作原理，等温地把贮存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能。

对于一个氧化还原反应，如：[O]+ [R]→ P[O]代表氧化剂，[R]代表还原剂，P代表反应产物。

原则上可以把上述反应分为两个半反应，一个为氧化剂[O]的还原反应，一个为还原剂[R]的氧化反应，若e-代表电子，即有：[R]→[R]+ + e-[R]+ +[O] + e-→P[R] +[O]→P以最简单的氢氧反应为例，即为：H2→2H+ + 2e-1/2 O2 + 2H+ +2e-→ H2OH2 + 1/2 O2→ H2O如图1-1所示，氢离子在将两个半反应分开的电解质内迁移，电子通过外电路定向流动、作功并构成总的电的回路。

氧化剂发生还原反应的电极称为阴极，其反应过程称为阴极燃料电池与常规电池不同,它的燃料和氧化剂不是贮存在电池内,而是贮存在电池外部的贮罐中。

当它工作时(输出电流并做功时)，需要不间断地向电池内输入燃料和氧化剂并同时排出反应产物。

因此，从工作方式上看,它类似于常规的汽油或柴油发电机。

由于燃料电池工作时要连续不断地向电池内送入燃料和氧化剂,所以燃料电池使用的燃料和氧化剂均为流体,即气体和液体。

最常用的燃料为纯氢、各种富含氢的气体（如重整气）和某些液体（如甲醇水溶液）。

常用的氧化剂为纯氧、净化空气等气体和某些液体（如过氧化氢和硝酸的水溶液等）。

2.1.1.2.特点(1) 高效燃料电池按电化学原理等温地直接将化学能转化为电能。

在理论上它的热电转化效率可达85～90%。

但实际上，电池在工作时由于各种极化的限制，目前各类电池实际的能量转化效率均在40～60%的范围内。

PEMFC——燃料电池课件
一、燃料电池概述
燃料电池技术是一种直接燃烧有机物或氢气，食物碱和水分解出质子
和电子，而不像常见的电池只含有储存的能量。

燃料电池有很多优点，如：高效率、低污染、灵活应用等。

主要应用于车载金属氢电池、家用电力系统、太阳能/燃料电池系统和中央供暖系统等领域。

燃料电池领域不断发展，市场前景也十分看好。

二、燃料电池类型
1、金属氢电池：金属氢电池是一种金属-氢燃料电池，有高功率、低
成本和高效率的特点，目前已经被广泛应用于汽车领域，尤其适用于电动
汽车和航空航天领域。

2、金属燃料电池：金属燃料电池是一种固态燃料电池，采用固体氧
化物质作为氧化剂，在此里形成了一个有机电池，其反应全部发生在固体中，有利于质量紧凑、成本低以及密度高等优点。

3、硅-碳燃料电池：硅-碳燃料电池是一种由硅碳电极和聚合物电解
质构成的燃料电池，其特点是具有高功率、高效率、高可靠性等优点。

三、PEMFC的优点
1、PEMFC具有高效率。

PEMFC能够通过准电解水的反应方式将氢气直
接转化为电能，其效率高达80-90%。

2、PEMFC具有低极柱温度特性。

厌氧极可以在室温中进行反应，无
需高温，可。

燃料电池技术的发展及应用第一章：燃料电池技术的基本原理燃料电池是一种将化学能转换为电能的设备，它是利用氢气、甲烷、丙烷、甚至甲醇等燃料通过氧化还原反应，在电极上产生电能的一种设备。

燃料电池的基本结构包括正极、负极、电解质和电生产部分等组成。

第二章：燃料电池技术的发展历程燃料电池作为一种新型清洁能源设备，在发展历程中经历了许多阶段。

20世纪60年代初，燃料电池技术处于实验室阶段；70年代后期到80年代初，燃料电池技术开始商业化试验；90年代末，燃料电池技术已经进入了实际应用阶段。

第三章：燃料电池技术的应用领域燃料电池技术在能源领域中有广泛的应用，包括交通运输、发电、暖通空调等领域。

在交通运输领域，燃料电池可用于车辆的动力供应，特别是在城市公交车、出租车等公共交通工具中应用广泛。

在发电方面，燃料电池可用于小型电力系统的供电，如远程自治区、野外探险等场合需要稳定的电源。

在暖通空调领域，燃料电池可用于取代传统的中央供热电站，提供清洁的供暖和空调服务。

第四章：燃料电池技术的优缺点燃料电池技术具有以下优点：一是燃料电池吸氧反应不会产生有害物质，对环境友好；二是燃料电池的效率高，能够将燃料转化为电能的有效比例达到50%以上；三是燃料电池的可靠性高，燃料电池作为新能源设备，具有较长的使用寿命和稳定的性能；四是燃料电池使用的燃料种类繁多，可根据需要选择不同类型的燃料。

但燃料电池技术也存在以下缺点：一是燃料电池的成本较高，目前较难实现大规模应用；二是供氢和制氢的技术尚未得到很好的解决，难以实现大规模应用；三是燃料电池的运行和维护需要专业技能和设备，对于一般使用者来说较为不便。

第五章：燃料电池技术的未来发展随着国家对清洁能源的侧重和对传统燃料的限制，燃料电池技术的应用前景越来越广阔。

在未来的发展中，应该重点解决燃料电池的成本问题，推动燃料电池技术的大规模应用。

同时，加强与氢气的生产、储存和运输的配套设施的建设，以推进燃料电池的产业化和推广应用，探索燃料电池在能源、环保和交通等领域的完美融合。