燃料电池技术
第1章 燃料电池简介
n 1993年，加拿大电力公司展示了一辆零排放、最高时速 为72km/h、以质子交换膜燃料电池（PEMFC）为东西 的公交车，引发了全球燃料电池电动车的研究开发热潮。
n 1996年，美国加利福尼亚州的2MW 熔融碳酸盐燃料电 池试验电厂开始供电；
n 当代，各种燃料电池电站、燃料电池汽车
第1章 燃料电池简介
当前燃料电池的研发背景
能源问题： n 化石能源
日益枯竭 n 能源价格
攀升
n 传统能源 受卡诺循 环及现代 材料的限 制，转换效率只有33-35%
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能源与环境
第1章 燃料电池简介
卡诺循环: 由两个可逆的等温过程和两个可逆的绝热过程 所组成的理想循环
Ø 等温膨胀：状态(p1 V1 T1)→状态(p2 V2 T1)，系统从环境中吸收热量、+Q；
n ….
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第1章 燃料电池简介
燃料电池的发电原理
燃料
离子导通
氧化剂
阳 极
阴 极
电 解 质
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燃料电池是一 种能量转化装 置，按照电化 学原理，等温 地把储存在燃 料和氧化剂中 的化学能直接 转化为电能。
第1章 燃料电池简介
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。
1897 年 ， 能 斯 特 发 明 “ 能 斯 特 物 质 ” ----YSZ （85%ZrO2+15%Y2O3)，该物质是目前广泛使用的高 温固体氧化物燃料电池的电解质材料；
1932-1959年，英国剑桥大学的化学家法兰西斯培根，设 计了一个电池组，在高温高压下为电池输入氢气和氧 气，制作出一个5kW的燃料电池组，能够推动电焊机， 电锯，及堆高机（Lifter）工作；
| 一层为催化剂层，由电催化剂和防水剂（如聚四氟乙烯） 等制备，其厚度仅为几微米至数十微米
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第1章 燃料电池简介
♣电催化与电催化剂
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第1章 燃料电池简介
n 1965年，以氢氧为燃料的碱性燃料电池成功的应用于美国 双子星座5号太空飞船上，成为太空的电力供应系统
n 从上世纪80年代开始，各种燃料电池在宇航、军事、交通 等各个领域中得到应用
n 1973年，发生石油危机后，研究重点从航天转向地面发电 装 置 ， 磷 酸 燃 料 电 池 （ PAFC ） 、 熔 融 碳 酸 盐 电 池 （MCFC）以及直接采用天然气、煤气和碳氢化合物作为 燃料的固体氧化物燃料电池（SOFC）作为电站或分散式 电站相继问世。
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第1章 燃料电池简介
第一章 燃料电池简介
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第1章 燃料电池简介
燃料电池的定义：
燃料电池是一种能够持续地通过发生在阳极和阴 极的氧化还原反应等温的将储存在燃料和氧化剂 中的化学能直接转化为电能的能量转换装置，它 工作时需要连续不断地向电池内输入燃料和氧化 剂，只要持续供应，燃料电池就会不断提供电能。
电解
H2O
H2+O2
u1839年，英国人格洛夫， Sir William Robert Grove (1811 –
1896)，设计了一个实验方法，让氧气和氢气缓慢“燃烧”，
反应过程中
W燃i料lli电am池N技ich术olson
第1章 燃料电池简介
燃料电池之父的第一个燃料电池装置
一次电能跑150公里左右
u百公里只需10度电，如果每度电以0.5元计算，最多也
就花费5元钱。
8.06升/百公里*7元/升=56.42元/百公里
u汽车百公里耗油最低也要10升，得花费70多块钱，费
用相对高很多
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第1章 燃料电池简介
充电电动汽车存在的问题：
n 充电难、基础设施滞后-----如果建立电动汽车 充电站，那么在这么拥挤的城市里应该在什么 地方选址？
n 市场汽车保有率是否达到维持充电站的费用？ n 电动汽车充电时间较长者能达到七八个小时，
短则需要一两个小时，市民将汽车放置于充电 站后，又怎样解决交通问题？ n 充电----离不开煤炭等传统化石燃料的发电。
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第1章 燃料电池简介
n 能源危机 n 环境污染
1.提高传统效率 2.发展新能源
-----能量转换装置
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第1章 燃料电池简介
燃料电池是继火电、水电和核电之后的第四种发
电方式，与传统发电相比，燃料电池的能量转变过 程是直接方式。
转换效率30-40%
热能
动能
传统技术
可达70%以上
化学能
燃料电池
电能
图 燃料电池直接发电与传统间接发电的比较
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第1章 燃料电池简介
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第1章 燃料电池简介
汽车对燃油的消耗
l 我国汽车的普及率完全可能接近发达国家的水平---每千人300辆计算，总保有量就是4.5亿辆。
l 按每辆汽车年消耗燃油1吨计（目前欧洲的水平 1.5吨，日本1吨，中国2.2吨），4.5亿辆车需要4.5 亿吨燃油。
l 有关专家预测，2020年国内的石油年产量可达到 1.8亿吨，如进口 2.7亿吨，共计4.5亿吨。如其中 2/3给汽车用，炼成燃油约2亿吨。汽车燃油存在 2.5亿吨以上巨大缺口。
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第1章 燃料电池简介
1889年，L. Mond和 C. Langer以铂黑为电催 化剂，以钻孔的铂为电 流收集器组装出燃料电 池，当工作电流密度为 3.5 mA.cm-2时，电池的 输 出 电 压 为 0.73V 。 这 个研究已经很接近现代 的燃料电池。
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第1章 燃料电池简介
[R] 代表还原剂(燃料)，[O]代表氧化剂，P代
表反应产物。
还原剂[R] 的氧化反应
燃料电池的两个半反应：
[R] [R]++e-
氧化剂[O]的还原反应
[R]+ + [O] + e- P
[R] + [O] P
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第1章 燃料电池简介
燃料电池工作原理：
n 电极提供电子转移的场所 n 阳极进行燃料的氧化过程 n 阴极进行氧化剂的还原过程 n 导电离子在将阴、阳极分开的电解质内迁移 n 电子通过外电路做功并构成电的回路
£两种表达方式:
|质量比能量：以单位质量电池输出的功率，kW/kg 表示
|体积比能量：以单位体积电池输出的功率，kW/L 表示
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第1章 燃料电池简介
1.2 燃料电池及系统的构成
构成燃料电池的关键部件：
燃料电池
| 电极 | 隔膜 | 集流板（或称双极板） | 电解质
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第1章 燃料电池简介
分制。
（三）最终成绩=平时成绩（30%）+期末考试成绩
（70%）。
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第1章 燃料电池简介
三、教材及参考资料
（一）教材 肖刚，《燃料电池技术》，电子工业出版社，2009年。
（二）参考资料 奥海尔，等著； 王晓红，等译，《燃料电池基础》，电 子工业出版社，2007年10月。 衣宝廉，著，《燃料电池——原理·技术·应用》，化 学工业出版社，2003年8月。
4.5吨原油
3吨燃油
发展新能源
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第1章 燃料电池简介
传统能源带来的环境问题：
Ø 传统化石材料，煤炭、汽、柴油的燃烧释放COx、 NOx、SOx气体和粉尘
Ø 大量的废水、废渣、废热和噪声污染
汽车尾气排放
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全球变暖
冰川融化
第1章 燃料电池简介
使用混合动力--锂电子电池/铅酸电池，通常电动汽车充
各种燃料电 池
16学时
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第1章 燃料电池简介
（二）课程要求： 本课程要求学生上课不迟到、不早退、不旷课，
请假需要有正规假条；能够按照要求认真完成作业。 课程教学中提倡学生积极参与。
二、成绩考核
成绩考核由以下部分组成：
（一）平时成绩：出勤及课堂讨论（15%）、作业
（15%）。
（二）期末考试成绩：闭卷考试（70%），采用百
1.2.1 电极
u 电极是燃料（如氢）氧化和氧化剂（如氧）还原的电化学 反应发生的场所，包括阳极电极和阴极电极
u 电极厚度一般为200-500μm，通常分为2或3层： | 一层为扩散层或支撑层，由导电多孔材料制备，起到支撑
催化剂层、收集电流、传导气体和反应产物（如水）的作 用 | 整平层，1-2 μm
|与常规化学电源不同，类似于汽、柴油发动机
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第1章 燃料电池简介
外电路
2e
氢气
电解质
H2 2H++2e-
2e
氧气
1/2O2 + 2H++2e- H2O
阳极 膜
阴极
总反应：H2 + 1/2O2 H2O
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第1章 燃料电池简介
z 燃料电池的输出电压=E阴极-E阳极
z 电极极化现象：在电池开路时，电池的电压为 开路电压E0，当电池输出电流对外做功时，输 出电压由E0降至E，这种电压降低的现象称为 极化
阴极：氧化剂被还原，接
受电子，并与阳极来的质 子发生反应。
原理基于电化学氧化还原反应，且由于电极上发生的反应大 多为多相界面反应，为提高反应速率，电极一般采用多孔材 料．各种燃料电池的材料也都有各自的特点．
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第1章 燃料电池简介
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第1章 燃料电池简介
氧化还原反应：
[R] + [O] P
Ø 绝热膨胀：状态(p2 V2 T1) →状态(p3 V3 T2)，系统对环境作功、+W；