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FC基本原理2——燃料电池讲义

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FC应用——燃料电池课件

FC应用——燃料电池课件
电力公司对燃料电池的开发可以追溯到20世纪60年 代末70年代初。1971年，爱迪生电力研究所、联合 技术公司(UTC）及几家电力公司开始研究燃料电池 发电。1972年联合技术公司与九家电力公司合作， 执 行 燃 料 电 池 发 电 计 划 ， 并 于 1977 年 建 成 了 1Mw PAFC试验电厂。1Mw发电厂试验成功后，计划在 纽约曼哈顿区(Manhattan)建造一个4.5MW PAFC 实验电厂。原计划定于1978年底前试运行，1979年 结束整个试验。但实施中安装和试验进展缓慢。
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第 二 套 4.5Mw 试 验 发 电 机 组 是 东 京 电 力 株 式 会 社 1980年向联合技术公司订购的。该套设备与曼哈顿 发电厂基本一样，只是它的电池堆采用了肋拱形双 极板技术，可以贮存较多的电解质，因而克服了寿 命短的问题，并对燃烧器、重整反应器的绝热装置 、水处理系统和冷却水系统也做了改进。该发电厂 位于东京湾的古依(译音)并按时取得了运行许可。 从1983年4月开始试运行，一直到1985年12月结束 ，结果令人满意。
FC应用——燃料电池课件
目前，这些汽车巨头们都相继展出、示范了他们开 发的燃料电池汽车，例如通用的Hydr、Gen3、戴 姆 — 克 菜 斯 勒 的 FLcell 、 丰 田 的 FcHv4 、 本 田 的 Fcxv3等。 虽然汽车生产商热情很高，希望近几年能让燃料电 池汽车进入市场，但目前还没有那家企业达到商业 化阶段。 目前燃料电池汽车价格高昂，燃料电池发动机价格 是汽油发动机的10倍左右，不具有市场竞争优势。
FC应用——燃料电池课件
主要问题是有关未经试验的新技术的许可证和消 防安全问题，尤其是燃料及氢气的加工、贮存。 由此还引发了预料之外的耐压试验，包括换热器 。一些换热器在冬季进行水力实验过程中因冻裂 而报废。到1983年底，1976年制造的PAFC电池 堆超出了有效使用期(电解质干枯)，这时发电厂的 储能部分的安装还没完成。不过，最终还是拿到 了运行许可证，成为第一家被允许在市区内运行 的发电厂。

燃料电池讲解：PPT课件

燃料电池讲解：PPT课件

这艘212型潜艇是世界上最现代化的常规潜艇。潜艇采用的 燃料电池推进系统可使潜 艇保持更长的潜航时间，更不容 易被敌人探测到。
德 国 海 军 新 一 代 燃 料 电 池 潜 艇 服 役
甲 醇 燃 料 電 池 ， 燃 料 電 池 的 层 狀 結 构
燃料电池其原理是一种电化学装置，其组成与一般电池相 同。其单体电池是由正负两个电极(负极即燃料电极和正 极即氧化剂电极)以及电解质组成。不同的是一般电池的 活性物质贮存在电池内部，因此，限制了电池容量。而燃 料电池的正、负极本身不包含活性物质，只是个催化转换 元件。因此燃料电池是名符其实的把化学能转化为电能的 能量转换机器。电池工作时，燃料和氧化剂由外部供给， 进行反应。原则上只要反应物不断输入，反应产物不断排 除，燃料电池就能连续地发电。这里以氢-氧燃料电池为 例来说明燃料电池 氢-氧燃料电池反应原理 这个反映是电觧水的逆过程。 电极应为： 负极：H2 +2OH-→2H2O +2e正极：1/2O2 +H2O+ 2e-→2OH电池反应：H2 +1/2O2==H2O
但是，由于多年来在燃料电池研究方面投入资金 数量很少，就燃料电池技术的总体水平来看，与 发达国家尚有较大差距。我国有关部门和专家对 燃料电池十分重视，1996年和1998年两次在香山 科学会议上对中国燃料电池技术的发展进行了专 题讨论，强调了自主研究与开发燃料电池系统的 重要性和必要性。近几年中国加强了在PEMFC方 面的研究力度
燃料电池介绍
一、燃料电池 二、
一、燃料电池
燃料电池（Fuel cell），是一种使用燃料进行化 学反应产生电力的装置，最早于1839年由英国的 Grove所发明。最常见是以氢氧为燃料的质子交换 膜燃料电池，由于燃料价格便宜，加上对人体无 化学危险、对环境无害，发电后产生纯水和热， 20世纪60年代应用在美国军方，后于1965年应用 于美国双子星座5号飞船。现在也有一些笔记型电 脑开始研究使用燃料电池。但由于产生的电量太 小，且无法瞬间提供大量电能，只能用于平稳供 电上。

燃料电池详解

燃料电池详解

燃料电池详解1996 年10 月燃料电池是将化学能直接转化为电能的电化学能量转化装置。

从原理上讲, 燃料电池不受卡诺循环限制, 与传统热机相比, 具有能量转化效率高(可达50%～ 60% ) 和环境友好(即很低的NO x、SO 2 和噪音排放) 等优点[ 1 ]。

早在内燃机问世之前(1842 年) , 英国的W illiam Grove 就展示了世界上第一台以稀硫酸为电解质, H2、O 2 为燃料的电化学电能转化装置[ 2 ]。

然而到本世纪50 年代之前, 由于电极过程动力学理论的落后以及在19 世纪后期内燃机这种相对简单的能量转化装置的问世和迅速发展, 燃料电池的发展一直处于停滞状态[ 1 ]。

到本世纪中叶, 在宇航工业发展的推动下, 常温氢氧燃料电池技术有了长足的发展。

由于当时这类燃料电池系统造价昂贵, 只在航天、军事等特殊场合应用。

近年来, 由于矿物资源的日趋贫乏和保护生态环境日益受到重视,人们迫切希望发展高效的既可节省有限矿物资源同时又可减少CO 2 排放的环境友好发电技术。

燃料电池发电技术正好满足以上要求, 重新受到人们的重视。

燃料电池从第一代碱性燃料电池(A FC) 开始已经发展到今天的第五代离子膜燃料电池(PEM FC)。

除了A FC 电池外, 第二代磷酸电池(PA FC) , 第三代熔融碳酸盐电池(MCFC) , 第四代固体氧化物电池(SO FC) 和第五代PEM FC 电池各有其优点, 目前都正在向商业化发展。

一、SOFC 的特点和其它燃料电池不同, 在SO FC 中, 采用固体氧化物氧离子(O 2- ) 导体(如最常用的Y2O 3 稳定的氧化锆, 简称YSZ) 作电解质起传递O 2- 和分离空气、燃料的双重作用。

这类氧化物由于掺杂了不同价态的金属离子, 为了保持整体的电中性, 晶格内产生大量的氧空位。

在高温下(> 750℃) , 这类掺杂氧化物具有足够高的O 2- 离子导电性能[ 3 ]。

燃料电池结构与工作原理

燃料电池结构与工作原理

燃料电池结构与工作原理嘿，今天咱们来聊聊燃料电池的结构和工作原理，这可就像是一个神奇的能量小宇宙呢。

我有一次去参加一个科技展，在那儿看到了燃料电池的展示模型，那可真是让我大开眼界。

就像打开了一个充满神秘的宝盒一样。

咱先说说燃料电池的结构。

它就像一个精心设计的小城堡，有好多重要的部分呢。

首先是电极，电极就像城堡的大门，有阳极和阴极。

阳极就像是迎接客人的前门，它负责接收燃料，比如氢气。

那些氢气分子就像一群小客人，排着队来到阳极这个大门前。

阴极呢，就像是城堡的后门啦，氧气从这儿进来。

这两个电极可都不简单，它们是用特殊的材料做的，就像城堡的大门得用坚固又合适的材料一样，这样才能保证反应顺利进行。

在电极之间呢，有电解质。

这电解质就像城堡里的走廊，不过这个走廊很神奇哦。

它是一种能让离子通过，但不让电子通过的物质。

就像走廊有特殊的魔法，只允许特定的人（离子）走，其他人（电子）得走别的路。

这电解质的种类还不少呢，有的是质子交换膜，就像一条只允许质子通过的神秘通道。

我看着展示模型里的电解质部分，感觉它就像一个隐藏着巨大秘密的地方，那些看不见的离子就在这里面穿梭。

还有双极板，双极板就像城堡的墙壁，把一个个小单元隔开，同时还起到了导电和分配气体的作用。

它上面有一些小通道，就像墙壁上的小管道，氢气和氧气可以通过这些小通道分别到达阳极和阴极。

这双极板得设计得很精巧，要是通道太窄或者太宽，气体分布不均匀，那整个燃料电池的性能就会受到影响。

我想象着那些气体在双极板的小通道里流动，就像小蚂蚁在迷宫里找路一样，必须得走得顺畅。

再说说燃料电池的工作原理吧，这可就更有趣了。

当氢气来到阳极这个前门的时候，它就像被施了魔法一样，在催化剂的作用下，分解成了氢离子和电子。

氢离子就通过电解质这个特殊走廊向阴极走去，而电子呢，它们可不能走这条路，就像被一堵无形的墙挡住了。

于是电子就只能从外电路走，这就产生了电流，就像一群小电子在电线里奔跑，给我们提供电能。

燃料电池工作原理原理

燃料电池工作原理原理

燃料电池工作原理原理
燃料电池是一种将化学能转化为电能的装置，采用化学反应的方式来产生电能。

它的工作原理如下：
1. 氢气供给：燃料电池的主要燃料是氢气（H2）。

氢气可以通过电解水产生，也可以从氢气储存罐中供应。

2. 催化剂：燃料电池中使用的常见催化剂是铂（Pt）。

这种催化剂能够加速氢气的电化学反应速率，促使氢气分解成质子（H+）和电子（e-）。

3. 质子传导：燃料电池中的质子交换膜（PEM）能够选择性地只允许质子通过，从而将质子传递到负极（阳极）侧。

电解质中的负离子也可能移动，但质子的迁移速度更快。

4. 电子流动：负极（阳极）上的电子开始流动，通常会通过一个外部电路来提供功率。

5. 氧气供应：在燃料电池中，氢气的氧化反应需要氧气
（O2），它可以来自空气中的氧气或者是外部提供的纯氧。

氧气会通过气体扩散层进入到负极（阳极）。

6. 氧化反应：在负极（阳极）上，氢气会与氧气和质子发生氧化反应，产生水蒸气（H2O）。

7. 电子与质子的再结合：在负极（阳极）侧，电子和质子再次结合形成水蒸气（H2O），同时释放出电子。

总体来说，燃料电池通过催化剂来加速氢气的电化学反应，将氢气的化学能转化为电能。

负极（阳极）上的电子流动通过外部电路提供功率，质子则通过质子交换膜传导。

最终的氧化反应产生水蒸气，并再次生成电子和质子。

整个过程中，燃料电池不会产生有毒废物，只产生水蒸气和热能。

燃料电池简介PPT课件

燃料电池简介PPT课件

燃料
高纯H2
H2
H2
H2-CO CH4
H2-CO CH4
氧化剂
高纯O2
空气
空气
空气+CO2
空气
电解质
KOH
H3PO4 质子交换膜 (K,Li)2CO3 Y2O3,ZrO2
阳极催化剂
Pt
阴极催化剂
Pt
Pt
Pt
Pt
Pt
CHENLI
Ni
Ni, ZrO2
NiO
La-SrMnO2
6
燃料电池的分类
按燃料电池所用原始燃料的类型，可大致 分为
CHENLI
3
燃料电池的基负极和夹在正负极中间的电解质板所组 成。工作时向负极供给燃料（氢），向正极供给氧化剂（空气）。氢在负极 分解成正离子H+和电子e-。氢离子进入电解液中，而电子则沿外部电路移向 正极。在正极上，空气中的氧同电解液中的氢离子吸收抵达正极上的电子形 成水。
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）
采用熔融态碳酸盐作为其电解质
固体氧化物型燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell,SOFC）
采用固态电解质
固体聚合物燃料电池（Solid Polymer Fuel Cell,SPFC,又称为质子交换膜 燃料电池，Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC）
氢燃料电池
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16秒，最高时速可达 140km/h，续驰里程400km。

燃料电池课件

燃料电池课件

燃料电池课件燃料电池课件燃料电池是一种利用氢气和氧气反应产生电能的装置。

它具有高效能、无污染和低噪音等优点，因此在能源领域备受关注。

本文将介绍燃料电池的基本原理、分类、应用以及未来发展方向。

一、基本原理燃料电池的基本原理是利用氢气和氧气的氧化还原反应来产生电能。

在燃料电池中，氢气通过阳极（负极）进入电解质层，而氧气通过阴极（正极）进入电解质层。

在电解质层中，氢气发生氧化反应，产生电子和氢离子。

电子通过外部电路流动，形成电流，而氢离子则通过电解质层流动，进入阴极。

在阴极上，氢离子与氧气发生还原反应，生成水。

整个过程中，产生的电能可以用来驱动电动设备。

二、分类燃料电池根据不同的电解质材料和工作温度可以分为若干种类型。

常见的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。

不同类型的燃料电池在工作原理、材料选择和适用场景等方面存在差异。

例如，PEMFC适用于低温环境，具有响应速度快、体积小的特点，常用于汽车和便携式设备；而SOFC适用于高温环境，具有高效能和长寿命的特点，常用于工业领域。

三、应用燃料电池在各个领域具有广泛的应用前景。

在交通领域，燃料电池可以用作汽车的动力源，取代传统的燃油发动机，实现零排放。

目前，许多汽车制造商已经推出了燃料电池汽车，并在市场上取得了一定的成功。

在能源领域，燃料电池可以用于家庭和商业建筑的电力供应，解决能源短缺和环境污染问题。

此外，燃料电池还可以用于便携式设备、航空航天等领域，为各种应用提供可靠的电源。

四、未来发展方向尽管燃料电池在能源转型中扮演着重要角色，但仍面临一些挑战和限制。

首先，燃料电池的成本较高，制约了其大规模应用。

其次，氢气的生产、存储和输送仍存在技术难题，需要进一步研究和改进。

此外，燃料电池的寿命和稳定性也需要提高，以满足实际应用的需求。

未来，燃料电池的发展方向主要包括降低成本、提高效率、延长寿命和改善氢气供应链等方面。

第09章 氢燃料电池课件

第09章 氢燃料电池课件

第9章氢燃料电池本章主要内容：1．燃料电池基本原理2．燃料电池热力学和反应动力学3．燃料电池的电荷管理4．燃料电池内的质量传递5．燃料电池的一维数值模型9.1 燃料电池简介燃料电池(Fuel Cell，FC)是一种直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效地转化为电能的发电装置。

这种装置的最大特点是由于反应过程不涉及到燃烧，因此其能量转换效率不受“卡诺循环”的限制，能量转换效率高达60～80％。

实际使用效率是普通内燃机的2～3倍。

另外，它还具有燃料多样化、排气干净、噪声小、环境污染低、可靠性高及维修性好等优点。

燃料电池被认为是21世纪全新的高效率、节能、环保的发电方式之一。

9.1.1 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式中，[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：以最简单的氢氧反应为例，即为如图9-1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过程，对外电路按原电池定义为正极。

还原剂或燃料发生氧化反应的电极称为阳极，其反应过程称阳极过程，对外电路定义为负极。

图9-1燃料电池工作原理示意图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(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)。

FC原理2.

FC原理2.

右图表示出温度 对高温电池理想 电势的影响
二. 电极过程动力学
一)法拉第定律与电化学过程速度
当 FC工作时 , 输出电能而对外做功， FC的燃料和氧化 剂的消耗量与输出电量之间的定量关系服从法拉第定律。 法拉第第一定律：燃料和氧化剂在FC内的消耗量m与 电池输出的电量Q成正比，即：
二 FC与常规电池的区别：
FC的燃料和氧化剂不是贮存在 FC内，而是贮存在外部 的“容器”之中。工作时需不断地向 FC 供应燃料和氧 化剂，并同时排出反应产物。 从工作方式上看，更类似于内燃机 ICE，容量是不受限 制的。
FC与常规电池都是基于电化学原理工作的， FC是能量 转换装置（发电），而电池只是能量贮存装置。
E Q R TS nFT )P T
因而，根据
E )P T
的符号可以判断电池工作时是吸热还是 放热。
对于一般的电池反应： 自由能的变化可以下式表示： 因此，可以得到： 上式可以写成能斯特公 式的一般形式：
其中E0是电池的标准电势。
上式说明，对于整个电池反应，其总的电势随着反应物 活度或浓度的提高而增加，随着产物活度或浓度的增加 而降低燃料电池的理想性能：它是根据能斯特方程定义 所得到的理想电势E。各种电池的总的反应可见下表：
第二章 燃料电池基础
一 FC的原理与结构特性
阳极反应： H 2 2H 2e
1 O 2 H 2 e H 2O 阴极反应：2 2
1 总的反应 ：H 2 2 O2 H 2O
电极名称与规定：氧化剂发生还原反应的电极是阴极， 其反应过程为阴极过程，而对外电路称为正极；还原剂 发生氧化反应的电极为阳极，其反应过程为阳极过程， 对外电路称为负极。
G nFE

燃料电池讲解通用课件

燃料电池讲解通用课件

04
燃料电池汽车将成为未来交通 出行的重要选择之一，具有零 排放、高效、节能等优点。
燃料电池将成为分布式发电和 储能的重要技术之一，具有环
保、灵活、高效等优点。
燃料电池在航空、航海等领域 也将得到广泛应用，如用于无
人机、船舶等。
燃料电池的技术挑战与瓶颈
01
技术挑战
02
提高燃料电池的能量密度和功率密度需要解决材料科学、制造
燃料电池的特点
高效率、低排放、低噪音、快速充电、可靠运行、方便维护等。
燃料电池的应用领域
域
作为电动汽车、船舶、航空器 的动力源，可实现零排放、高
效率的运行。
电力领域
作为电站、备用电源等，可满 足不同场合的用电需求。
工业领域
作为工业用电源，为生产设备 提供稳定可靠的电力保障。
军事领域
实际效率
由于实际运行中存在各种 损失，如反应不完全、热 能散失等，实际效率通常 略低于理论极限值。
提高效率的方法
优化催化剂设计、降低操 作温度、提高反应气体纯 度等措施可以提高燃料电 池的能量转换效率。
燃料电池的发电特点与优势
可再生能源
高效率
燃料电池使用的氢气和氧气可以由可再生 能源如太阳能、风能等提供，因此燃料电 池是一种可再生能源发电技术。
电池壳是燃料电池的外部结构，它能够保护电池不受外界 环境的影响。
燃料电池的制造设备主要包括搅拌器、涂布机、组装设备 和测试设备等。
燃料电池的使用与维护方法
使用燃料电池时，需要确保其工作在合适的温度和压力下，并定期检查其性能和安 全性。
维护燃料电池时，需要定期更换反应介质和电极材料，并保持电池壳的清洁和完好 。
工作原理：燃料电池由阳极、阴极和电解质组成。在燃料电池中，燃料（如氢气）被送到阳极，氧化 剂（如氧气）被送到阴极。阳极和阴极之间通过电解质隔开。当燃料和氧化剂在阳极和阴极上反应时 ，电子从阳极通过外部电路流向阴极，从而产生电流。

燃料电池的基本原理资料

燃料电池的基本原理资料

燃料电池的基本原理资料燃料电池（Fuel Cell，简称FC）是一种能够将燃料与氧气反应产生电能的装置。

与传统的燃烧发电方式相比，燃料电池具有高效、环保、无排放等优势，并且能够利用多种燃料进行工作。

下面我们将详细介绍燃料电池的基本原理。

整个反应过程可以概括为以下几个步骤：1.燃料供应：燃料通过与电解质接触的阳极供应给燃料电池。

常见的燃料是氢气（H2），氢气可以通过水电解、天然气蒸汽重整等方式获得。

在其他类型的燃料电池中，如甲醇燃料电池，也可以使用甲醇等其他燃料。

2.气体分解：在阳极上，燃料被催化剂催化分解成电子（e-）和氢离子（H+）。

2H2→4H++4e-3.电子流动：由于阳极和阴极之间的电阻，自由电子通过外部电路流动，形成电流，进行工作。

在外部电路中，电子流向阴极。

4.氢离子传导：氢离子通过电解质传导到阴极。

5.氧气供应：阴极通过喷射气体（空气），向燃料电池提供氧气（O2）。

6.氧还原反应：氧气在阴极上与电子和氢离子反应，生成水。

O2+4e-+4H+→2H2O总方程式可以表示为：2H2+O2→2H2O从方程中可以看出，燃料电池的主要产物是水，没有任何的有害气体排放。

这也是燃料电池在环保方面具有重要优势的原因之一需要注意的是，在燃料电池中常用的电解质有多种类型，如固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，SOFC）采用固体氧化物电解质，质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）采用质子交换膜等。

电解质的类型不同，燃料电池的工作原理也会有所差异。

总结起来，燃料电池的基本原理是通过将燃料氧化产生的化学能直接转化为电能。

它可以利用多种燃料，如氢气、甲烷、甲醇等。

整个反应过程涉及燃料供应、气体分解、电子流动、氢离子传导、氧气供应和氧还原反应等步骤。

燃料电池具有高效、环保、无排放等优势，被广泛应用于各个领域。

FC设计——燃料电池课件

FC设计——燃料电池课件

2）对于电动车发动机用的PEMFC和各种移动动力 源，则对电池组的质量比功率和体积比功率的要求 更高些。 更高些。
为提高电池组的质量比功率和体积比功率，在电池 为提高电池组的质量比功率和体积比功率， 关键材料与单电池性能已定时， 关键材料与单电池性能已定时，只有提高电池工作 电流密度，此时一般选取单电池工作电压为 0.60~0.65V，再依据用户对电池工作电压的要求确 定单电池数目， 定单电池数目，进而依据V-A特性曲线确定电极的 工作面积。 工作面积。
据此设计， 一个电极工作面积为80cm2 ， 40节 据此设计 ， 一个电极工作面积为 节 单电池组成的电池组，工作电压为28± ， 单电池组成的电池组，工作电压为 ±4V，输 出功率在700~1400W之间。 之间。 出功率在 之间
按照目前的技术水平该类电池在工作电流密度为300700macm时单电池的工作电压为0608v选取设计点为500macm和07v实际设计时应依据电池的伏安特性曲线即va曲线进行依据总电压为28v有40节单电池组成当工作电压为28v时fc输出的电流应为40a则电极的有效工作面积应为80cm40节单电池组成的电池组工作电压为284v输出功率在7001400w之间
电池组设计原则与方法
效率是电池组在标定功率下运行时的能量转化效率。 效率是电池组在标定功率下运行时的能量转化效率。 比功率是电池组在标定功率下运行时的质量比功率 和体积比功率。 和体积比功率。
1）对于民用发电（分散电源或家庭电源），能量转化 对于民用发电（分散电源或家庭电源） 效率更为重要， 效率更为重要 ， 而对体积比功率与质量比功率的要求 次之。 次之。 故依据用户对电池组工作电压的要求确定串联的单电 池数目时， 池数目时，一般选取单电池电压为0.70~0.75V。这样在 不考虑燃料利用率时，电池组的效率可达 56%~60%(LHV)。 特性曲线， 再依据单电池的实验V-A特性曲线，确定电池组工作电 流密度， 流密度 ， 进而依据用户对电池组标定功率的要求确定 电极的工作面积。 电极的工作面积。 在确定工作面积时，还应考虑电池系统的内耗。 在确定工作面积时，还应考虑电池系统的内耗。

燃料电池原理讲解共25页文档

燃料电池原理讲解共25页文档
•
26、我们像鹰一样，生来就是自由的 ，但是 为了生 存，我 们不得 不为自 己编织 一个笼 子，然 后把自法律如果不讲道理，即使延续时 间再长 ，也还 是没有 制约力 的。— —爱·科 克
•
28、好法律是由坏风俗创造出来的。 ——马 克罗维 乌斯
•
29、在一切能够接受法律支配的人类 的状态 中，哪 里没有 法律， 那里就 没有自 由。— —洛克
•
30、风俗可以造就法律，也可以废除 法律。 ——塞·约翰逊
燃料电池原理讲解
21、要知道对好事的称颂过于夸大，也会招来人们的反感轻蔑和嫉妒。——培根 22、业精于勤，荒于嬉；行成于思，毁于随。——韩愈
23、一切节省，归根到底都归结为时间的节省。——马克思 24、意志命运往往背道而驰，决心到最后会全部推倒。——莎士比亚
25、学习是劳动，是充满思想的劳动。——乌申斯基
谢谢！

燃料电池的原理

燃料电池的原理

燃料电池的原理
燃料电池(FC)是一种混合电池，它利用化学反应发电。

在燃料电池中，氧化还原反应
发生，产生的电动力用于产生电能。

燃料电池的运行原理主要为：一块负极板将负带（例如：氨水溶液、氢气或其它适当气体）排入燃料电池，同时将正带（例如：氧化器溶液水、氧气或其它的空气）排入内部。

再按照燃料电池的结构，将负、正极板及其它电子元件插
入指定的位置，然后施加压力，就可以组装成一个实体的燃料电池。

当电极插入燃料电池压力之下时，会发生氧化还原反应，氧化剂和还原剂交换电子，
采用一种循环的方式，在氧还原接收电子后，氢就会释放电子，由此形成一种联结，使负
极带供给的氢向正极发送电子，正极带来的氧接收电子，生成另一种联结，使能量被转化
为电能，也就是常说的电池反应。

为了使燃料电池持续运行，必须更换燃料源，调节氧化剂浓度。

在许多情况下，常用
的氧化剂是氧气，一般的气体动力系统（比如轿车和客车）均使用氢气作为还原剂，而燃
料电池可以使用任何类型的还原剂，比如液体氢和甲、乙烯等。

此外，在燃料电池中，不同的催化剂会对反应速率产生很大的影响，所以为了使电池
反应更快更有效，不同的催化剂通常被用于催化反应。

而且催化剂也非常重要，可以使反
应更加安全，避免发生危险的化学反应。

燃料电池的优势在于能量更高效，多重催化反应可以同时进行，这是一种环保、低污
染的发电方式，可以利用低温环境中的氧气和氢气，开发出完整的燃料电池，利用它可以
以高效率地产生电能，而且不受地理环境条件的限制。

燃料电池的基本工作原理

燃料电池的基本工作原理

燃料电池的基本工作原理燃料电池的基本工作原理我们在准备长途旅行之前，总是不会忘记检查是否随身携带了信用卡或者钱包，当然还有手机或者笔记本电脑的备用电池和充电器，它们的重要性伴随着人们对手机和笔记本电脑的依赖日益彰显。

其症结所在就是电池的有限的工作时间，目前便携式电子产品使用的锂离子电池已经无法应付长时间操作的需求。

一块手机普通的锂电池只能维持几天时间，笔记本电脑的电池也就几个小时。

而随着无线技术和音视频功能越来越受欢迎燃料电池的基本工作原理我们在准备长途旅行之前，总是不会忘记检查是否随身携带了信用卡或者钱包，当然还有手机或者笔记本电脑的备用电池和充电器，它们的重要性伴随着人们对手机和笔记本电脑的依赖日益彰显。

其症结所在就是电池的有限的工作时间，目前便携式电子产品使用的锂离子电池已经无法应付长时间操作的需求。

一块手机普通的锂电池只能维持几天时间，笔记本电脑的电池也就几个小时。

而随着无线技术和音视频功能越来越受欢迎，对电池的工作时间的要求与日俱增，传统二次电池(包括锂电池和镍电池)已经成为瓶颈，桎梏了便携式产品向更丰富功能的方向发展。

与传统二次电池相比，燃料电池的能量至少要高10倍。

一个锂离子电池能提供300 Whr/L的电量密度，而甲醇燃料电池的电量密度却高达4800 Whr/L，10ml的甲醇可以保证13.5小时的通话时间或者642小时的待机时间。

因此，东芝、IBM、NEC等许多国际著名的电子公司都倾注精力和财力研究燃料电池，目前世界前十大营收企业，除Walmart外，均有投资氢能或燃料电池产业。

专攻便携式应用的DMFC理论上，燃料电池(Fuel Cell)并不是电池，只是把燃料(例如氢气)和氧化剂通过电极反应直接生成电流的装置，由于它的生成物是水，因而具有相当的环保优势。

燃料电池的典型结构就是层迭电池单元的堆栈(Stack)，一个堆栈可以包含多个单独的燃料单元(图1)。

而每个单元的基本结构与电解水装置相类似，包含2个正负电极(阳极和阴极)，电解质以及催化剂。

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G H TS
电动势的压力系数 根据热力学第二定律，对于恒温过程，其吸收或 放出的热量为：
QR
TS

nFT
E T
)P
因而，根据
E T ) P
的符号可以判断电池工作时是吸热还是 放热。
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由化学热力学知，当化学反应在恒压条件下进行时，Gibbs
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燃料电池发电厂系统的组成
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五. 电化学基础
一） Gibbs自由能
吉布斯自由能G: 在等温、等压过程中，可用于外部工作的 非体积功。表明体系所具有的在等温等压下做非体积功的 能力。反应过程中G的减少量是体系做非体积功的最大限度。 这个最大限度在可逆途径得到实现。反应进行方向和方式 判据。
燃料电池直接将化学能转变为电能，而不需要像燃烧先转 换为热能。电能到其他形式的能的利用效率可以高达100%，
而热能的利用由于热机的局限，效率较低。
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二）FC电池电动势与能斯特（Nernst）方程
对于一个氧化还原反应，可以将其分解为两个半反应：还原剂 的阳极氧化和氧化剂的阴极还原，并与适宜的电解质构成电池， 以电化学方式进行反应。根据化学热力学原理，该过程的可逆 电功（即最大功）为：
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3. 安静 由于运动部件少，噪音很低。实验表明，在 距离40千瓦PAFC电站46公里的噪音水平是 60dB,而4.5MW和11MW大功率PAFC电站的 噪音水平则已达到不高于55dB的水平。
4. 可靠性好
5. 模块化结构
6.良好的运行性与灵活性
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四. FC存在的主要问题 1. 价格高 2.高温时稳定性和寿命不高 3.没有完善的燃料供应体系 4. FC知识不够普及
4. 电池的容量决定于所含电化学物质的量。从工作方 式上看，FC更类似于内燃机ICE，容量是不受限制 的。
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5. 对于充电电池（二次电池），它是利用外部供给 的电能量，使电池反应逆向进行，再生成电化学 物质。从能量的角度看，即将外部能量充给电池， 使其再放电，实现反复使用的目的。
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由热力学知：G H TS
对任一电池的热力学效率（最大效率）为：
f id

G H
1T
S H
因此，燃料电池的热力学效率与其熵变的大小
和符号有关，可能会出现效率大于、等于或小
于100%的情况。燃料电池的热力学效率有时会
大于100%。
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G U (PV) TS H TS
对氢氧燃料电池，外部工作包括沿外部电路移动电子。
Gibbs能量的变化量等于体系在可逆条件下能够对外做的非体 积功，也即是最大非体积功，对燃料电池来说，这种非体积功 就是电功。
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燃料电池对外做电功，燃烧和爆炸对外则不做非体积功。 显然燃料电池对外做的功大于 简单的燃烧，而他对外的发 热要小于燃烧。
1 2
O2

2H


2e

H2O
1 2
O2

H
2

H
2O
上述反应中转移的电子数为2。当反应在250C、0.1MPa下进行时，
则由热力学手册可查得, 如果反应生成的是液态水,反应的Gibbs自由
能变化为-237.2 kJ；如生成的是气态水，则Gibbs自由能的变化为
228.6 kJ。
根据上述公式可求的电池的电动势分别为1.229和1.190V。实际运行 中，开路电压总是低于电池的电动势
G nFE
式中，E为电池的电动势，G为反应的Gibbs自由能变化，F为法 拉第常数（F=96493C），n为反应转移的电子数。
该方程是电化学的基本方程，它建立了电化学和热力学之间的联 Nhomakorabea系。
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以氢氧反应为例：
当电解质为酸时，阳极过程为： 阴极过程为： 总的反应：
H2 2H 2e
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2. 环境友好
当FC以氢气为燃料, 产物只是水，从根本上 消除了污染物排放，实现了所谓的 “zero emissions”；当FC以富氢气体为燃料时，由 于 富 氢 气 体 在 通 过 矿 物 燃 料 制 出 时 ， CO2 排 放 比 热 机 过 程 减 少 40% 以 上 ， 大 大 缓 解 了温室效应。FC燃料气在反应前须脱除硫 及其化合物，且是根据电化学原理工作的， 而不经过燃烧过程，几乎不排放NOx和SOx 等污染物。
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燃料电池效率
卡诺：所有工作于同温热源与同温冷源之间的热机，其热效 率都不可能超过可逆机
卡诺效率： max 1T1/ T 2
卡诺定理：对于只有冷（T1），热(T2)两源的热机系统，
其最大效率为
max 1T1/T 2
热机效率：
W / Q
Q吸热， W做功
6. 从理论上讲，只要不断给FC提供燃料即可实现 连续发电，但由于FC结构部件的老化和故障等原 因，FC也是具有一定的使用寿命。
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三 FC的特性
1. 高效 FC是按电化学原理等温地直接将燃料的化学 能转变为电能的，可以不受卡诺定律限制， 理论转化效率可达85~90%，但实际上受到各 种极化的限制，目前实际转化效率在40~60%， 如实现热电冷等联供，燃料的总利用率可达 80%以上。
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二 FC与常规电池的区别：
1. FC的燃料和氧化剂不是贮存在FC内，而是贮存在外 部的“容器”之中。工作时需不断地向FC供应燃料 和氧化剂，并同时排出反应产物。
2. FC与常规电池都是基于电化学原理工作的，FC是 能量转换装置（发电），而电池只是能量贮存装置。
3. 当电池内的反应物消耗完后，电池即作废或需重新 充电。
第三章 燃料电池基础理论和研究方法
一 FC的原理与结构特性
阳极反应：H 2 2H 2e
阴极反应：12 O2 2H 2e H2O
总的反应：H2

1 2
O2

H2O
电极名称与规定：氧化剂发生还原反应的电极是阴极， 其反应过程为阴极过程，而对外电路称为正极；还原剂 发生氧化反应的电极为阳极，其反应过程为阳极过程， 对外电路称为负极。