燃料电池的概念

２０１７．４Ｖｏｌ．４１Ｎｏ．４收稿日期：２０１７－０１－１５作者简介：付甜甜（１９８９—），女，河北省人，学士，主要研究方向为电池情报。

６５１电动汽车用氢燃料电池发展综述付甜甜(中国电子科技集团公司第十八研究所，天津300384)摘要：氢燃料电池是一种将燃料（和氧化剂）的化学能连续地转化为电能的装置。

氢燃料电池以化学方式实现能量转换，不受热发动机卡诺循环的限制，具有较高的转换效率。

氢燃料电池在全球大范围环保发展下已成为最清洁环保的电动汽车用电池。

介绍了氢燃料电池的发展历程、工作原理、优缺点以及氢燃料电池电动汽车的应用实例，展望其发展前景。

关键词：氢燃料电池；电动汽车；转换效率中图分类号：ＴＭ９１１文献标识码：Ａ文章编号：１００２－０８７Ｘ（２０１７）０４－０６５１－０３Development of hydrogen fuel cell for electric vehicleFU Tian-tian(Tianjin Institute of Power Sources,Tianjin 300384,China)Abstract:Hydrogen fuel cell was a device that could convert the chemical energy of fuel and oxidant into electrical energy.The hydrogen fuel cell realized the energy conversion in a chemical way,which was not limited by the Kano cycle of the engine,and it had high conversion efficiency.Under the global environment,hydrogen fuel cell has become the most environmentally friendly battery for electric vehicles.The developing history,working principle,advantages and disadvantages of hydrogen fuel cell,the application and development prospect of hydrogen fuel cell for electric vehicle were introduced.Key words:hydrogen fuel cell;EV;conversion efficiency随着全球工业化进程不断加快，化石燃料消耗量日益增加，对环境造成的污染越来越严重，迫切需要寻找一种作为替代品的清洁燃料。

燃料电池的书写一、教学目标：1. 让学生了解燃料电池的基本概念和原理。

2. 使学生掌握燃料电池的书写方法和步骤。

3. 培养学生的实验操作能力和科学思维。

二、教学重点与难点：1. 教学重点：燃料电池的基本概念、原理和书写方法。

2. 教学难点：燃料电池的书写步骤和实验操作。

三、教学准备：1. 实验室用具：燃料电池实验装置、导线、电极等。

2. 教学课件：燃料电池的图片、原理图、书写步骤等。

四、教学过程：1. 引入新课：通过展示燃料电池的图片，引导学生思考燃料电池的原理和应用。

2. 讲解燃料电池的基本概念和原理：介绍燃料电池的定义、工作原理和特点。

3. 演示燃料电池实验：进行燃料电池实验，让学生观察实验现象，理解燃料电池的工作过程。

4. 讲解燃料电池的书写方法：介绍燃料电池的书写步骤、注意事项和书写规则。

5. 学生分组实践：学生分组进行燃料电池的书写实验，教师巡回指导。

6. 总结与评价：对学生的实验情况进行总结，评价学生的书写质量和操作能力。

五、教学反思：本节课通过讲解和实验，使学生掌握了燃料电池的基本概念、原理和书写方法。

在实验过程中，学生能够积极参与，动手操作，对燃料电池的书写有了更深刻的理解。

但在教学过程中，仍存在一些不足之处，如部分学生对燃料电池的原理理解不够深入，需要在今后的教学中加强讲解和辅导。

总体来说，本节课达到了预期的教学目标。

六、教学拓展：1. 介绍燃料电池在其他领域的应用，如新能源汽车、无人机等。

2. 探讨燃料电池的优缺点，并与传统电池进行比较。

七、课堂练习：1. 根据燃料电池的原理，设计一个简单的燃料电池实验。

2. 写出燃料电池的化学方程式。

八、作业布置：1. 复习燃料电池的基本概念和原理。

2. 练习燃料电池的书写方法。

九、课后反思：1. 总结课堂教学过程中的优点和不足。

2. 对学生的学习情况进行分析，提出改进措施。

十、教学评价：1. 对学生的课堂表现、作业质量和实验操作进行评价。

对燃料电池的热力学分析硕动力092班1092221078 马少栋摘要：燃料电池是不经燃烧过程直接把燃料的化学能转化为电能的装置，具有能量转换效率高、污染物排放量少的独特优点。

通过对燃料电池中能量转换过程的热力学分析，我们可以知道在转换过程中有待改进的地方，从而设计出更实用的燃料电池。

关键词：燃料电池；热力学分析；可逆电池；吉布斯自由能Thermodynamic Analysis of Fuel CellAbstract:Fuel cell is a equipment that transform chemical energy into electrical energy directly without burning.This kind of cell are provided with some special advantage,higher energy conversion efficiency and less contamination discharge.By means of thermodynamic analysis of fuel cell energy conversion process,we can be aware of what need improvement in conversion process,thereby work outing more practical fuel cell.Key wrod:fuel cell;thermodynamic analysis;reversible cell;The Gibbs Free Energy1 热力学分析概述热力学是研究热现象中，物质系统在平衡时的性质和建立能量的平衡关系，以及状态发生变化时，系统与外界相互作用的学科。

工程热力学是关于热现象的宏观理论，研究的方法是宏观的，它以归纳无数事实所得到的热力学第一定律、热力学第二定律和热力学第三定律作为推理的基础，通过物质的压力、温度、比容等宏观参数和受热、冷却、膨胀、收缩等整体行为，对宏观现象和热力过程进行研究。

结构介绍 燃料电池的主要构成组件为：电极（Electrode）、电解质隔膜（Electrolyte Membrane）与集电器（Current Collector）等。 1、电极

燃料电池的电极是燃料发生氧化反应与氧化剂发生还原反应的电化学反应场所，其性能的好坏关键在于触媒的性能、电极的材料与电极的制程等。

电极主要可分为两部分，其一为阳极（Anode），另一为阴极（Cathode），厚度一般为200－500mm；其结构与一般电池之平板电极不同之处，在于燃料电池的电极为多孔结构，所以设计成多孔结构的主要原因是燃料电池所使用的燃料及氧化剂大多为气体（例如氧气、氢气等），而气体在电解质中的溶解度并不高，为了提高燃料电池的实际工作电流密度与降低极化作用，故发展出多孔结构的的电极，以增加参与反应的电极表面积，而此也是燃料电池当初所以能从理论研究阶段步入实用化阶段的重要关键原因之一。

目前高温燃料电池之电极主要是以触媒材料制成，例如固态氧化物燃料电池（简称SOFC）的Y2O3－stabilized－ZrO2（简称YSZ）及熔融碳酸盐燃料电池（简称MCFC）的氧化镍电极等，而低温燃料电池则主要是由气体扩散层支撑一薄层触媒材料而构成，例如磷酸燃料电池（简称PAFC）与质子交换膜燃料电池（简称PEMFC）的白金电极等。 2、电解质隔膜 电解质隔膜的主要功能在分隔氧化剂与还原剂，并传导离子，故电解质隔膜越薄越好，但亦需顾及强度，就现阶段的技术而言，其一般厚度约在数十毫米至数百毫米；至于材质，目前主要朝两个发展方向，其一是先以石棉（Asbestos）膜、碳化硅SiC膜、铝酸锂（LiAlO3）膜等绝缘材料制成多孔隔膜，再浸入熔融锂－钾碳酸盐、氢氧化钾与磷酸等中，使其附着在隔膜孔内，另一则是采用全氟磺酸树脂（例如PEMFC）及YSZ（例如SOFC）。

3、集电器 集电器又称作双极板（Bipolar Plate），具有收集电流、分隔氧化剂与还原剂、疏导反应气体等之功用，集电器的性能主要取决于其材料特性、流场设计及其加工技术。

质子导体固体氧化物燃料电池-回复问题，并对相关概念进行解释和阐述，以深入了解质子导体固体氧化物燃料电池。

质子导体固体氧化物燃料电池（Proton-conducting Solid Oxide Fuel Cell, PSOFC）是一种固体氧化物燃料电池的变体，它具有较高的工作温度和较高的能量转换效率。

本文将逐步回答有关PSOFC的问题，以帮助读者全面了解这一技术。

质子导体固体氧化物燃料电池的原理是什么？质子导体固体氧化物燃料电池将燃料和氧气电化学反应直接转化为电能，其原理类似于其他固体氧化物燃料电池。

在PSOFC中，一个质子导体膜用作电解质，将氢气（燃料）和氧气在其两侧通过电化学反应转化为水和电能。

质子导体膜主要是由钙钛矿结构的复合氧化物材料构成，例如BaCeO3和Y2O3。

质子导体是什么？质子导体是一种能够传导质子（H+离子）的材料。

与其他电解质不同，质子导体主要通过质子扩散来传导离子。

质子导体材料通常具有较高的离子迁移率和较高的氧化还原反应速率。

质子导体固体氧化物燃料电池相对于其他固体氧化物燃料电池的优势是什么？质子导体固体氧化物燃料电池相对于传统的氧离子导体固体氧化物燃料电池具有以下几个优势：1. 较低的工作温度：相比于传统的氧离子导体固体氧化物燃料电池（SOFC），PSOFC可以在较低的温度下运行，通常在500-700摄氏度之间。

这降低了材料与周围环境之间的热应力，并减少了系统的热损失。

2. 高离子传导性能：质子导体材料具有较高的离子迁移率，可以提供更高的电解质电导率。

这导致了更高的燃料电池效率和更低的极化损失。

3. 抗碳积燃料：相对于氧离子导体固体氧化物燃料电池，PSOFC对于含碳燃料的耐受性更好。

这意味着它可以直接使用含有少量碳（如甲烷）的燃料，而无需进行预处理或燃烧。

4. 独特的应用：由于其较低的工作温度和高离子传导性能，质子导体固体氧化物燃料电池可以在一些特殊的应用中发挥独特的优势，比如便携式电源、无人机等。

熔融碳酸盐燃料电池燃料电池简介一、发展过程燃料电池的原理始见于1839年Grove发表的氢和氧反应可发生电的论文,但长期未受到重视。

直到二十世纪六十年代适应宇航事业的需要才开始应用,并不惜工本开发出高性能的燃料电池。

1967年美国将它列人TARGET计划(天然气转换研究计划),着手开发以天然气为燃料的民用燃料电池发电,日本的大阪和东京煤气公司亦参与了这一计划。

七十年代这种污染少而发电效率高的技术受到了多方重视。

但除了磷酸盐型燃料电池开发较快外,熔融碳酸盐型燃料电池和固体电解质型燃料电池因难度很高,所需燃料氢的开发尚未很好解决,因而进展不快。

直到1981年列人日本月光计划中的大型节能技术项目后,除将磷酸盐型电池列人扩大试验和应用开发计划外,将碳酸盐型电池进行工业应用试验,固体电解质型电池则从基础研究开始,进行了长期系统的研究。

二、基本原理和特点l、基本原理是水电解后生成氢和氧的逆反应。

即氢和氧燃烧时所产生的吉布斯自由能直接变成电能。

由于不经过常规发电流程中的热能和机械能的转换环节,故发电效率较高,污染少。

2、它和一般蓄电池基本相似,由正极、电解质和负极等基本元件组成。

不同的是蓄电池用完后需通过充电来恢复功能,而它只要不断供人氢和氧就可不断发电。

开、停方便,适于做调峰负荷.3、扩大规模时只是将若干个基本元件组叠加和串接组合即可。

其效率不受规模大小的影响,故适于孤岛和生活区的独立电源。

4、由于反应温度高,可利用余热供热;用于生活民用时,还可简化送配电系统,减少转电损耗。

5、电池本体无可动部分,加上附属系统的整体可动件亦少,无噪音污染。

三、燃料电池的应用前景燃料电池用于军事、航天等尖端技术领域,经济上的考虑是第二位的,但作为地面商业化发电设备,目前的价格3000美元/kw远远高于国际上大型现代化电站建设价格(约1000美元/kw)。

不过,如果按目前的发展PAFC降到1500美元/kw,又考虑到传统发电设备所排放的N仪、05:的污染防治费用,也许燃料电池发电更为经济。

高效电池新概念
随着科技的不断发展，电池也在不断地升级和改进。

现在，高效电池已经成为了新概念。

高效电池不仅能够提供更长的使用时间，而且还能够在短时间内迅速充电。

这是因为高效电池采用了新型的材料和技术，使其能够更有效地存储和释放能量。

比如，锂离子电池、锂聚合物电池、燃料电池等都是高效电池的代表。

锂离子电池具有高能量密度和长寿命等优点，而锂聚合物电池则更加轻薄，并且具有更高的安全性能。

燃料电池则是一种环保的电池，其能源来自于氢气或甲醇等可再生资源。

除了材料和技术的升级，高效电池还可以通过智能化的控制来实现更加优化的使用效果。

智能电池管理系统可以监测电池的状态和使用情况，从而有效地延长电池的使用寿命，减少浪费和损耗。

高效电池的出现不仅可以为手机、平板电脑、笔记本电脑等消费电子产品提供更加可靠的电源，同时也可以为电动汽车、飞行器等提供更加高效的动力支持。

因此，高效电池无疑将成为未来能源发展的重要方向之一。

- 1 -。

直接甲醇燃料电池（理学院，材料科学与工程系，材料科学与工程专业余志勇）（学号：2000143001）内容提要：制备了一只面积为3×3cm2的直接甲醇燃料电池，优化了有关制备工艺，测定了在不同放电电流、不同甲醇浓度和不同有机物作燃料时的放电性能。

结果发现，制备过程中电极干燥处理和MEA热复合时温度对电池的性能有至关重要的影响。

同时还发现，低电流放电时，提高甲醇浓度，工作电压下降；在以1mol/L甲醇溶液为燃料时，放电电流为50mA时，电池输出功率达到最大。

在室温低电流密度下，不同物质的水溶液作燃料时，工作电压存在下列次序：异丙醇>甲酸>甲醛>甲醇。

关键词：直接甲醇燃料电池；质子交换膜燃料电池；电催化剂教师点评：论文制备了一只小面积单体直接甲醇燃料电池，在室温下的工作性能很好，说明作者掌握了直接甲醇燃料电池制备过程中的几个关键点，对制备工艺有较好的理解。

对电池电学性能的分析也较深入合理。

论文条理清晰，结论可靠。

（点评教师：朱光明，副教授）第一章绪论1.1 燃料电池概述1.1.1 燃料电池历史、现状与未来燃料电池是继水力、火力和核能发电之后的第四类发电技术。

它以电化学反应的方式将燃料不经过燃烧直接由化学能转变为电能。

与一般电池不同，燃料电池所用的燃料和氧化剂并不是贮存在电池内，而是贮存在电池外。

在这一点上，它又与内燃机相似。

因此，燃料电池又被形象的称为“电化学发电机”[1]。

燃料电池具有能量转化效率高；环境污染少，无噪声，操作简便，建设周期短等优点。

其使用灵活性很大，既可大功率集中供电，也可以小功率分散或移动供电。

自本世纪60年代起，燃料电池引起了各国科学家的广泛注意[2]。

随着其本身技术的发展，以及近年来世界范围内的能源危机和环境污染等问题日益严重，燃料电池的研究受到普遍的关注。

美国、加拿大、德国、日本和俄罗斯等经济或科技大国已将燃料电池的开发列为国家发展的一个重要战略目标。

第3课时化学电池[核心素养发展目标] 1.知道干电池、充电电池、燃料电池等化学电池的特点。

2.掌握构成化学电池的基本要素，常见化学电池的工作原理及电极反应式的书写。

一、一次电池二次电池1．一次电池(1)特点：电池放电后不能充电(内部的氧化还原反应无法逆向进行)，如锌锰干电池属于一次电池。

(2)锌锰干电池的构造如图所示。

①锌筒为负极，电极反应是Zn－2e－===Zn2＋。

②石墨棒为正极，最终被还原的物质是二氧化锰。

③NH4Cl糊的作用是作电解质溶液。

思考1锌锰干电池在使用过程中，锌会逐渐溶解，锌外壳变薄，最后内部的糊状电解质会泄露出来，使电器腐蚀。

为了延长电池寿命和提高其性能，人们将电池内的电解质NH4Cl糊换成湿的KOH，制成了碱性锌锰电池。

总反应：Zn＋2MnO2＋2H2O===Zn(OH)2＋2MnO(OH)，写出负极的电极反应式：Zn－2e－＋2OH－===Zn(OH)2。

2．二次电池(充电电池)(1)特点：二次电池在放电时所进行的氧化还原反应，在充电时可以逆向进行，使电池恢复到放电前的状态，从而实现放电与充电的循环。

电能。

(2)能量转化：化学能放电充电(3)常见的充电电池：铅酸蓄电池、镍氢电池、锂离子电池等。

思考2铅酸蓄电池常用作汽车电瓶，其构造如图所示，工作时该电池总反应为Pb＋PbO2＋2H2SO4放电2PbSO4＋2H2O。

充电按要求回答下列问题：(1)负极材料是________，正极材料是________，电解质溶液是________。

(2)放电时，电解质溶液中的H＋移向________极。

(3)放电时，电解质溶液中硫酸的浓度________(填“增大”“减小”或“不变”)。

(4)当铅酸蓄电池向外电路提供2 mol电子时，理论上负极板的质量增加________ g。

答案(1)Pb PbO2稀硫酸(2)PbO2(或正)(3)减小(4)96解析(4)负极每个铅原子失去2e－，就生成一个PbSO4，增加了一个SO2－4，SO2－4的摩尔质量为96 g·mol－1。

课时28原电池、化学电源（含燃料电池）知识点一原电池的工作原理及应用【考必备·清单】1．原电池(1)概念：原电池是把化学能转化为电能的装置。

(2)构成条件电极两极为导体，且存在活动性差异溶液两极插入电解质溶液中回路形成闭合回路或两极直接接触本质看能否自发地发生氧化还原反应(3)工作原理(以锌、铜原电池为例)电极名称负极正极电极材料锌片铜片电极反应Zn－2e－===Zn2＋Cu2＋＋2e－===Cu 电极质量变化减小增大反应类型氧化反应还原反应电子流向由Zn沿导线流向Cu盐桥中离子移向盐桥含饱和KCl溶液，K＋移向正极，Cl－移向负极a.连接内电路形成闭合回路。

盐桥作用b.维持两电极电势差(中和电荷)，使电池能持续提供电流。

(4)负极与正极①负极：发生氧化反应或电子流出的电极。

②正极：发生还原反应或电子流入的电极。

(5)两个移动方向①电子定向移动方向和电流方向a．电子从负极流出经外电路流入正极；b．电流从正极流出经外电路流入负极；故电子定向移动方向与电流方向正好相反。

②离子移动方向阴离子向负极移动(如SO2－4)，阳离子向正极移动(如Zn2＋和H＋，溶液中H＋在正极上得电子形成氢气在铜片上冒出)。

[名师点拨]①自发发生的氧化还原反应并不一定是电极与电解质溶液反应，也可以是电极与溶解的O2等发生反应，如将铁与石墨相连插入食盐水中。

②无论是原电池还是电解池，电子均不能通过电解质溶液。

③双液铜、锌原电池(带盐桥)比单液原电池的最大优点是Zn与氧化剂(Cu2＋)不直接接触，仅有化学能转化为电能，避免了能量损耗，故电流稳定，放电时间长。

2．原电池原理的四大应用(1)加快氧化还原反应的速率一个自发进行的氧化还原反应，形成原电池时会使反应速率加快。

例如，在Zn与稀H2SO4反应时加入少量CuSO4溶液置换出的Cu能与Zn形成原电池使产生H2的反应速率加快。

(2)比较金属活动性强弱如有两种金属A和B，用导线将A和B连接后，插入到稀硫酸中，一段时间后，若观察到A溶解，而B上有气体放出，则说明A作负极，B作正极，即可以断定金属活动性：A＞B。

第3课时必备知识——原电池和常见化学电源知识清单[重要概念]①原电池；②一次电池；③二次电池；④燃料电池[基本规律]①原电池的构成条件；②原电池的工作原理；③原电池工作原理的应用知识点1原电池的构成及工作原理1．原电池的概念原电池是把化学能转化为电能的装置，其反应本质是发生了氧化还原反应。

2．原电池的形成条件形成条件具体分析反应能自发进行的氧化还原反应(一般是活泼性强的金属与电解质溶液反应) 电极一般是活泼性不同的两个电极闭合回路形成闭合回路的两个条件：①电解质溶液(或熔融电解质)；②两电极直接或间接接触，并插入电解质溶液(或熔融电解质)中3.原电池的工作原理以锌铜原电池为例进行分析，图Ⅰ是单液原电池装置，图Ⅱ是双液原电池装置。

(1)反应原理电极名称负极正极电极材料锌片铜片电极反应Zn－2e－===Zn2＋Cu2＋＋2e－===Cu 反应类型氧化反应还原反应电子流向由Zn片沿导线流向Cu片盐桥中离子移向盐桥含饱和KCl溶液，K＋移向正极，Cl－移向负极(1)原电池的正极和负极与电极材料的性质有关，也与电解质溶液有关，不要形成活泼电极一定作负极的思维定势。

(2)无论在原电池中还是在电解池中，电子均不能通过电解质溶液。

(2)盐桥的组成和作用原电池装置中盐桥连接两个“半电池装置”，其中盐桥的作用有三种：①隔绝正负极反应物，避免直接接触，导致电流不稳定；②通过离子的定向移动，构成闭合回路；③平衡电极区的电荷。

[通关1] (易错排查)判断正误(1)理论上，任何自发的氧化还原反应都可设计成原电池(√)(2)在原电池中，发生氧化反应的一极一定是负极(√)(3)在锌铜原电池中，因为有电子通过电解质溶液形成闭合回路，所以有电流产生(×)(4)原电池工作时，溶液中的阳离子向负极移动，盐桥中的阳离子向正极移动(×)(5)两种活泼性不同的金属组成原电池的两极，活泼金属一定作负极(×)(6)实验室制备H2时，用粗锌(含Cu、Fe等)代替纯锌与盐酸反应效果更佳(√)[通关2] (人教选修4·P73，2题改编)课堂学习中，同学们利用铝条、锌片、铜片、导线、电流表、橙汁、烧杯等用品探究原电池的组成。

一、前言科技文明不停的进步，人口不断的增加以及为了追求更美好的生活，人们不停的增加能源的使用量，使得石化燃料（石油、煤炭、天然气等）日已枯竭，大量的使用石化燃料也衍生出许多问题如：空气污染、酸雨以及温室效应等问题。

据统计，以现今石油消耗的速度，地球上的石油储存量最多能再用40到50年，为了避免届时世界陷入难以估计的经济恐慌，各国提出了各种以绿色能源取代石化燃料的方案。

目前世界上绿色能源有太阳能、风力、水力、潮汐、地热、生物能以及氢能等。

但太阳能转化效率不高、制造过程复杂生产成本昂贵；而风力会受到地形天候限制；水力发电建设费用相当高，且在河流上建造水坝会破坏河流生态；地热又少；因此在这些绿色能源中以燃料电池最具发展潜力。

燃料电池能够应用的领域相当广泛，包括电力、工业、运输、太空、军事、通讯产品等等。

目前许多国家都在发展燃料电池，经过多年研究以及技术改良现在燃料电池技术已经进入商业化阶段，未来极有可能成为最重要的绿色科技之一。

二、燃料电池发展史燃料电池技术起源于1838年，C. F. Schonbein发现了燃料电池的电，氢气与白金电极上的氯气或氧气发生的化学反应能产生电流，并将这种现象命名为极化效应。

1839年，Willian Grove设计了一款气体电池，他的基本设想来自于水的电解反应，水电解之后产生氧气和氢气，若将电解反应逆转则能产生电流，于是用两条白金分别放入两个密封的瓶子中，一瓶充满氢气，一瓶充满氧气，将两容器浸入稀硫酸溶液时，电流便在两个电极之间流动，为了提高装置产生的电压，就将四组装置串联起来，此装置就是后来全世界公认的第一个燃料电池。

1899年，Nernst提出将固态氧化物当做电解质用于燃料电池之中。

1959年，Francis T. Bacon 制作出一个5KW的燃料电池，能够推动电焊，电锯以及堆高机，使燃料电池技术走出实验室。

1960年美国太空署为了发展太空科技而开始将燃料电池实用化。