燃料电池基础培训资料

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
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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。
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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

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%。
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第二章
燃料电池基础理论 与研究方法
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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阳极： 燃料被氧化，产生
电子和质子，电子通过外 回路到达阴极，质子穿过 膜到达阴极。
阴极： 氧化剂被还原，接
受电子，并与阳极来的质 子发生反应。
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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2.1 燃料电池热力学
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2.2.1 法拉第定律
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
其中， ∆m和Q分别是反应物的消耗量和产生的电量（单位 库仑），I是电流强度，t是时间。 ke 比例 系 数 ：是产生 单 位 电量所 需 的反应 物 的量， 称 为 电 化当量。
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FC 都 是 采 用 多孔 气 体 扩散 电极， 电极 ， 反应是在 整 个电极的立 体空间 内的三 相（ 相（ 气、液 、固 ） 界面上进行的。 的。 对任何形式的多孔气体扩散电极，由于电极 反应界面 的真 实面积是很难计算 的，通 常是 以 电极的几何面 积计算 电流密 度的，所得 到的电 流密度称为表观电流密度。 显然，表观电流密度可以用来表示电化学反 应速度。

物质，电池的污染排放极低，是清洁能源； 质量轻、体积小、比功率高(600W／kg)，有较高的电流密度和功
率密度，较小的极化损失和欧姆损失； 不用贵金属，不存在液态电解质腐蚀及封接问题。 替代火力发电，可将发电率由目前的40%左右提高到85%，它易
于实现热电联产。
可用做医院、居民区、矿山等小区域以及军舰等移动目标的供电 电源。
阳极，燃料电极（fuel electrode）:
O2-+CO → CO2+2e- (煤气)
O2-+H2 → H2O+2e-
(氢气)
O2- +CH4 →CO2+H2O （液化气）
多孔阳极 致密电解质
多孔阴极
Pt-Current Collector
Ni/YSZ 10µm
YSZ 6µm
Anode Support Layer (200-250µm)
物理基础
电子电导
电子电导的载流子是电子或空穴(即电子空位)。电子 电导主要发生在导体和半导体中。电子在晶体中的运 动状态用量子力学理论来描述。能带理论指出，在具 有严格周期性电场的理想晶体中的电子和空穴，在绝 对零度下的运动像理想气体分子在真空中的运动一样 ，电子运动时不受阻力，迁移率为无限大。只有当周 期性受到破坏时，才产生阻碍电子运动的条件。电场 周期破坏的来源是:晶格热振动、杂质的引入、位错和 裂缝等。在电子电导的材料中，电子与点阵的非弹性 碰撞引起电子波的散射是电子运动受阻的原因。
4.3.1 SOFC的工作原理
SOFC单电池一般呈三明治结构，又称PEN(Positive-pole ，Electrolyte and Negative-pole)，主要由致密的电解质 、多孔的阳极和阴极组成。