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燃料电池_+基础理论动力学_+_热力学+研究方法共167页

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燃料电池基础理论选编

燃料电池基础理论选编

船舶
燃料电池船舶具有低排放、 低噪音和长续航能力等优 点，适用于内河和近海运 输。
固定电站
1 2
分布式发电
燃料电池分布式发电系统具有高效、环保和低维 护成本等优势，适用于医院、学校、酒店等场所。
电网调峰
燃料电池可以作为电网调峰的备用电源，在电力 需求低谷期进行充电，在电力需求高峰期放电。
3
备用电源
燃料电池基础理论选编
目录
• 燃料电池概述 • 燃料电池的组成 • 燃料电池的工作过程 • 燃料电池的性能参数 • 燃料电池的应用领域 • 燃料电池的未来发展
01 燃料电池概述
燃料电池的定义
燃料电池是一种将化学能直接转化为 电能的装置，通过电化学反应将燃料 和氧化剂中的化学能转化为电能。
它不同于传统的燃烧发电方式，燃料 电池的燃料和氧化剂不经过燃烧，而 是通过电化学反应来释放能量。
燃料电池的原理
燃料电池的原理基于电化学反应，通过质子交换膜或固体氧化物等电解质将燃料和 氧化剂隔开。
在反应过程中，燃料中的氢原子与氧化剂中的氧气发生电化学反应，释放出电子和 质子。
电子通过外部电路流动产生电流，质子通过电解质回到氧化剂侧，形成闭合回路。
燃料电池的种类
质子交换膜燃料电池是最常见的类型，其电解 质为质子交换膜，具பைடு நூலகம்较高的能量效率和较低
的启动温度。
碱性燃料电池的电解质为强碱性溶液，具有较高的能 量效率和较低的成本，但需要使用贵金属催化剂。
燃料电池有多种类型，根据电解质的不同可以 分为质子交换膜燃料电池、固体氧化物燃料电 池、碱性燃料电池等。
固体氧化物燃料电池的电解质为固体氧化物，适 用于高温环境下工作，且能够使用多种燃料。
02 燃料电池的组成

燃料电池资料PPT学习教案

燃料电池资料PPT学习教案

Q H We
（1）
H 为反应物与生成物在经过燃料电池时的总焓差； We 为燃料电池提供的电功； Q 为燃料电池反应热。
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二 燃料电池的电动势基本方程式
假设闭合电路中电流很小，反应热与有用功相 比很小，且燃料电池的工作过程又没有其他的不可 逆因素，则可近似认为其是可逆过程。
时间内，燃料电池单位工作表面积上完成的最
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三 燃料电池的热量
取燃料电池及与之发生质、能交换的外界（通
常为环境介质）为系统，则系统的总熵变为:
S (S2 S1) (S2 S1)
（8
式中，(S2 S1) 为外界的熵变量；
）
(S2 S1) 为燃料电池的熵变量 设外界环境向电池的。传热量为 Q，则环境介质的熵
变量为： (S2 S1) Q T
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四 熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）
MCFC是一种高温燃料电池，使用熔融碳酸盐混 合物为电解质（碳酸锂&碳酸钠或碳酸锂&碳酸钾 ）。
20世纪50年代初，MCFC由于其可作为大规模民 用发电装置而引起了全世界的重视。
20世纪80年代，被作为第二代燃料电池成为近 期实现兆瓦级商品化燃料电池电站的主要研究目标 。
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第三节 各类燃料电池简介
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一 碱性燃料电池
碱性燃料电池（Alkaline Fuel Cell）是最早研究成 功并得以应用的燃料电池 。
20世纪60年代初，碱性燃 料电池应用于阿波罗号航天 飞机，随后被用于驱动各种 设备。
AFC燃料电池摩托车
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以电解质为氢氧化钾、燃料为氢、氧化剂为氧的 燃料电池为例：

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 ]。

燃料电池简介 ppt课件

燃料电池简介 ppt课件
阐述电化学反应产生的电流随活化过电势的变化。
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Butler-Volmer方程函数曲线
由图可以看出，如 果我们想从电池中 获得更多电流，就 必须以损失电压为 代价
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影响燃料电池性能的因素

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活化过电势对燃料电池性能的影响
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如何改善动力学性能

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14Βιβλιοθήκη 71.4燃料电池的优点
发电效率高 环境污染小 比能量高 噪音低 燃料范围广 负载调节灵活，可靠性高
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8
2.燃料电池反应动力学
定义：对燃料电池反应过程的研究。 目的：解释燃料电池的反应过程如何导致性能损失。
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活化能垒

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Butler-Volmer方程
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17
4.燃料电池的应用
2017年10月12日，陆地方舟新型氢电混合燃料电池客 车在第十二届深圳国际物流与交通运输博览会(简称 “物博会”)上正式发布，新车为8.3米考斯特车型， 加氢5分钟，充电12分钟，续航可达550km，该车也 是我国发布的首台8米考斯特车型氢燃料电池客车。
PPT课件
燃料电池
PPT课件
1
1.燃料电池的概述
燃料电池（full Cell）是一种将持续供给的燃料和氧 化剂中的化学能连续不断地直接转化为电能的电化 学装置。
燃料电池在原理和结构上和普通电池（battery）完 全不同。燃料电池的活性物质是存储在电池之外， 只要不断地供给燃料和氧化物就一直能发电，因而 容量是无限的。而电池的容量是有限的，活性物质 一旦消耗完，电池的寿命就终止。

燃料电池(课件)

燃料电池(课件)

得失电子数目的求算
燃料分子失电子的数目，可根据整体化合价变化情况 进行求算，也可以直接根据分子所含的原子数目进行 计算。1mol的CxHyOz失去电子的数目为4x+y－ 2z(碳四氢一氧减二)。我们可以计算，每个C₃H₈失电 子数为4×3+1×8＝20，每个C₂H₅OH分子失电子数 为4×2+1×6－2＝12。
电解质为固体电解质 （如固体氧化锆—氧 化钇）O2＋4e-=2O2-。
燃料电池负极反应式的书写
产物判断规则
一般来说，负极反应物一般为燃料，常常含有碳元素和 氢元素，有时也含有氧元素。在酸性溶液(如硫酸溶液) 下，负极燃料失电子，C元素变为+4价，转化为CO₂； H元素转化为H⁺，氧元素结合H⁺转化为水。在碱性溶 液(如氢氧化钠溶液)下，负极燃料失电子，C元素转化 为碳酸根离子，+1价的氢元素不能在碱性条件下以离 子形态稳定存在，结合OHˉ生成水，氧元素变成氢氧根 离子或者水。
谢谢
燃料电池
基础知识
燃料电池（Fuel cell），是一种不经过燃烧，将燃料化学能经过电化学反 应直接转变为电能的装置。它和其它电池中的氧化还原反应一样，都是自 发的化学反应，不会发出火焰，其化学能可以直接转化为电能，且废物排 放量很低。其中燃料电池电化学反应的最终产物与燃料燃烧的产物相同
基础知识
燃料电池的两极材料都是用多孔碳、多孔镍、铂、钯等兼有催化剂特性 的惰性金属，两电极的材料相同。 燃料电池的电极是由通入气体的成分来决定。通入可燃物的一极为负极 ，可燃物在该电极上发生氧化反应；通入空气或氧气的一极为正极，氧 气在该电极上发生还原反应。
量为1mol，在标准状况下为22.4L，D错误；【答案】C
真题突破
（2019·全国高考真题）利用生物燃料电池原理研究室温下氨 的合成，电池工作时MV2+/MV+在电极与酶之间传递电子，示意 图如下所示。下列说法错误的是

燃料电池技术

燃料电池技术
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三、燃料电池系统
1、组成：燃料电池发电装置除了燃料电池本体之 外，还必须和以下周边装置共同构成一个系统。 主要有：#
a) 燃料重整系统、 b) 空气供应系统、 c) 直流——交流逆变系统、 d) 余热回收系统、 e) 控制系统等周边装置。 f) 在高温燃料电池中还有剩余气体循环系统。 • 燃料电池发电装置的系统构成图
• 5.固体高分子型燃料电池(PEFC)。这是一种问世不久的 燃料电池，它用氟系高分子膜作电解质，电池阴极产生 的H+能够穿过高分子膜到达阳极，并在那里被还原。 这种燃料电池的起动时间短，结构紧凑，功率密度高， 工作温度为60～100℃，便于小型化、轻量化，适合作 为可移动式电源使用。
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• 美国在1967年开始了以民用为目标的研究计划，首先开 发磷酸础燃料电池。之后，以美国、日本为中心，进行 了磷酸型燃料电池实用化的工作。
• 日本于1981年的“月光计划”中，全面地开展了5类燃料 电池的研究(碱性、磷酸型、熔融碳酸盐型、团体电解 质型、固体高分子型)。而在1993年开始的“新阳光计划” 中，燃料电池成为日本政府加速实施的一个重点计划， 开始投入大规模研究。
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燃料电池与干电池和蓄电池区别
• 平时所说的干电池与蓄电他，没有反应物质 的输入与生成物的排出，所以其寿命有一定 限度；
• 而燃料电池可以连续地对其供给反应物(燃料） 及不断排出生成物(水等)，因而可以连续地输 出电力。
• 燃料电池的历史。。。。。 • 中国燃料电池研究。。。
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• 在“九五”期间，燃料电池被列人国家重点科技 项目攻关计划。
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燃料电池构成图
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燃料电池概述及其研究进展(ppt 76页)


表3 燃料电池分类及技术比较
按其工作温度分为低温燃料电池和高温燃料电池：
碱性燃料电池（AFC，工作温度为100℃）、 质子膜燃料电池（PEMFC，工作温度为100℃以内） 磷酸型燃料电池（PAFC，工作温度为200℃）
熔融碳酸盐型燃料电池（MCFC，工作温度为650℃） 固体氧化型燃料电池（SOFC，工作温度为1000℃）
按开发时间顺序进行分类： 磷酸型燃料电池称为第一代燃料电池
熔融碳酸盐称为第二代燃料电池 固体氧化物燃料电池称为第三代燃料电池
7、 国外燃料电池总体发展状况
7、 国外燃料电池总的发展状况
发达国家都将大型燃料电池的开发作为重点研究项目， 企业界也纷纷斥巨资从事燃料电池技术的研究与开发， 现在已取得了许多重要成果，使得燃料电池即将取代 传统发电机及内燃机而广泛应用于发电及汽车上。
发电技术： 近期注重提高效率,降低污染; 远期注重可再生能源发电.
发电技术类型：
火力发电 水力发电 核能发电 燃料电池
太阳能发电 风力发电 地热能发电 潮汐发电 生物质发电
火力发电 利用煤、石油和天然气等化石燃料所含能量发电。
发电厂由锅炉、汽轮机、发电机三大主要设备 和相应的辅助设备组成。
2. 中国能源现状
能源储量
据资料显示，截止到2004年底我国：
石油剩余可采储量23亿吨，占世界总量的1.4% 天然气剩余可采储量2.23万亿m3，占世界总量的1.2% 煤炭剩余可采储量1145亿吨，占世界总量的12.6% 水力资源占世界总量的30%
能源结构 (2004年)
表1
中国能源消费与生产结构
实际应用时一般采用表面积大、耐腐蚀性好的 乙炔炭黑或碳等载铂或银；

第3章 FC原理2——燃料电池课件


各种电池反应的能斯特方程表达式
中南大学机电学院车辆工程系
各种电池反应的理想电势
温度，oC 电池类型 理想电压， V 1.18 25 80 PEFC 1.17 205 PAFC 1.14 650 MCFC 1.03 1100 SOFC 0.91
右图表示出温度 对高温电池理想 电势的影响
中南大学机电学院车辆工程系
中南大学机电学院车辆工程系
中南大学机电学院车辆工程系
低温氢氧燃料电池的极化曲线
中南大学机电学院车辆工程系
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极化是电极由静止状态（ i=0 ）转入工作状 态（i >0）所产生的电池电压、电极电位的 变化。 由于电压与电流的乘积等于功率，再乘以 电池运行的时间即为输出电能，所以极化 表示电池由静止状态转入工作状态能量损 失的大小。因此，要减少极化来降低能量 损失。 极化可以分为3种：活化极化、浓差极化和 欧姆极化。
中南大学机电学院车辆工程系
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：
m ke Q ke I t
中南大学机电学院车辆工程系
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。
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。
中南大学机电学院车辆工程系
中南大学机电学院车辆工程系

燃料电池技术 第二章 燃料电池基础理论与研究方法(1)

燃料电池技术 第2章 燃料电池基础理论与研究方法
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真实燃料电池的效率要低于上述的极限效率， 主要是由于电压损失和燃料的利用率导致。 要使电压损失为0，电化学反应在完全可逆 的情况发生，需输出电流无穷小。实际是不可 能的。 电压效率=开路电压V/理论电动势E 燃料 利 用 率 ： 实 际使 用过程中，燃料 不 能 完全 转 化 为 电能，部 分 燃料 直 接 随废气 被 排除 燃料电池 系统，导致燃料利用率小于100%。
极化是电极由 静止状 态 （ i=0 ）转 入 工作 状 态 （ i >0） 所产生的电池电压、电极电 位 的变化。 由于电压与电 流的 乘 积等于功 率，再乘 以 电池运 行的 时间 即为 输出 电能，所 以极化表 示 电池由静止状 态转 入工作状 态能量损失的 大小。因此，要减少极化来降低能量损失。 极化可 以分为 3 种 ： 活 化极化、 浓 差 极化、 欧姆极化和燃料渗透及内部电流损失。
∆G = ∆U + ∆(PV) −T∆S = ∆H −T∆S
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 化量等于体系在 可逆条件 下能够对 外做的非体 积功， 积功 ，也即是最大非体积功， 是最大非体积功，对燃料电池来说，这种非体积功 就是电功。 是电功。
燃料电池技术 第2章 燃料电池基础理论与研究方法
30
因此 ， 降 低 电极的 Tafel斜 率 是 降 低 活化过电 位 的 重 要 途径。 目前 ， 降 低 电极 材 料的 Tafel斜 率 是电极 催 化所 面临 的重要课题。
燃料电池技术 第2章 燃料电池基础理论与研究方法
31
2. 浓差极化 迁移和纯化学转变均能导致电极反应区参 加电化学反应的反应物或产物浓度发生变化， 结果是电极电位改变，即产生浓差极化。 对流 迁移 分子扩散 电 迁移

燃料电池课件PPT(47页)

采用非铂系催化剂
化学性质稳定
缺点：
氧化剂中必须不含有CO2。 燃料中必须不含CO2 电池电化学反应生成的水必须及时排出，维持水
平衡。
磷酸盐燃料电池（PAFC)
PAFC 是一种以磷酸为电解质的燃料电池 。 PAFC采用重整天然气作燃料，空气作氧化剂， 浸有浓磷酸的SiC 微孔膜作电解质 ， Pt/C 作 催化剂 ，工作温度 200℃ 。
具体做法是将全氟磺酸树脂玻璃化温度下施加一定压力，将以加入全氟磺酸树脂的氢电极（ 阳极 ）、隔膜( 全氟磺酸型质 子交换膜) 和 已加入全氟磺酸树脂的氧电极（阴极）压和在一起，形成了电极-膜-电极三合一组 件 ，
200℃左右 ，能量 SOFC的电解质是固体氧化物 ， 如 ZrO2 、 Bi2O3 等 ， 其阳 极是Ni-YSZ陶瓷 ， 阴 极目前主要采用 锰酸镧 (LSM，La1-xSrxMnO3 ) 材料。
碱性燃料电池的工作温度大约80℃。
碱性燃料电池工作示意图
AFC电极的制备工艺
AFC的电极设计要求电极具有高度稳定性的气、液、 固三相界面。
双孔结构电极 电极分两层，粗孔层和细孔层，粗孔层与 气室相连，细孔层与电解质接触。电极工作时，粗孔层 内充满反应气体，细孔层内填满电解液。细 孔层的电解 液浸润粗孔层，液气界面形成并发生电化学反应，离子 和水在电解液中传递，而电子则在构成粗孔层和细孔层 的合金骨架内传导 。
黏结型电极 是将亲水的导电体（ 如电催化剂材料铂 ／ 碳 ）与具有粘结能力的防水剂 （ 如聚四氟乙烯乳液 ） 按比例混合制成电极。 它在微观尺度上是相互交错的两 相体系，由防水剂构成的疏水网络为反应气体提供内部 的扩散通道；由电催化剂构成 的亲水网络可以被电解液 充满浸润，它为水和OH- 提供通道的同时，也为电子的 传导提供通道。
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5、虽然权力是一头固执的熊，可是金 子可以 拉着ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 的鼻子 走。— —莎士 比
31、只有永远躺在泥坑里的人，才不会再掉进坑里。——黑格尔 32、希望的灯一旦熄灭，生活刹那间变成了一片黑暗。——普列姆昌德 33、希望是人生的乳母。——科策布 34、形成天才的决定因素应该是勤奋。——郭沫若 35、学到很多东西的诀窍，就是一下子不要学很多。——洛克
燃料电池_+基础理论动力学_+_热力学+ 研究方法
1、合法而稳定的权力在使用得当时很 少遇到 抵抗。 ——塞 ·约翰 逊 2、权力会使人渐渐失去温厚善良的美 德。— —伯克
3、最大限度地行使权力总是令人反感 ；权力 不易确 定之处 始终存 在着危 险。— —塞·约翰逊 4、权力会奴化一切。——塔西佗