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固体氧化物燃料电池

1引言 (2)

1.1燃料电池的概念及特点 (2)

1.2固休氧化物燃料电池 (4)

1.2.1固休氧化物燃料电池的结构类型及其特点 (4)

1.2.2 SOFC工作原理 (5)

2固体燃料电池多物理场模拟 (6)

2.1控制方程 (6)

2.1.1动量守恒方程 (6)

2.1.2能量守恒方程 (6)

2.1.3质量守恒方程 (6)

2.1.4导电方程 (7)

2.2物理模型 (7)

2.3数学模型 (8)

2.3.1气体输运控制方程 (8)

2.3.2导电控制方程 (8)

2.4边界条件 (9)

3结果与讨论 (11)

3.1电势分布 (12)

3.2不同阳极厚度燃料电池的浓度分布 (12)

3.2.1不同阳极厚度燃料电池的电势分布 (14)

3.3阴极厚度对燃料电池性能影响 (15)

3.4连接体宽度变化对浓度、电势分布的影响 (18)

4 结论 (19)

固体氧化物燃料电池仿真

摘要

燃料电池是将化学反应的化学能直接转变为电能的装置。和传统的热机相比,燃料电池具有更高的电效率,并且燃料电池是一种环境友好的发电方式。固体氧化物燃料电池(SOFC)属于高温燃料电池,除具有燃料电池的一般特点外,其高温排气也可以进一步加以利用。本文建立了描述平板式SOFC的物理数学模型,使用多物理场耦合模拟软件Comsol对其进行模拟计算。通过改变阳极和阴极厚度、连接体rib宽度等，研究其对固体氧化物燃料电池内燃料浓度、电势分布等的影响。模拟结果显示：当燃料沿燃料通道方向流动未出现低燃料浓度区或产物浓度区时，电池电势在燃料流动方向上变化不大；阳极厚度的增加对反应物在垂直于燃料流动方向的分布几乎没有影响，随着阳极和阴极厚度及连接体宽度的增加，燃料电池的性能更好。本模拟可以为燃料电池的设计提供参考。

关键词：固体氧化物燃料电池Comsol

1引言

随着全球工业化的加速及人们生活水平的不断提高,人类对能源的需求持续增长。目前全球能源的大部分来自化石燃料的燃烧过程，全世界对化石燃料利用的持续增长导致了温室气体排放的增加,美国能源部预计,2015年全球的排放量要比1990年增加60%;燃料燃烧过程产生的氮氧化物,硫氧化物,未燃尽的碳氢化合物等是主要的大气污染物。因此,解决能源需求的增长和由此造成的环境问题的关键就是改善能源结构问题,研究开发清洁能源技术。而燃料电池技术正是符合这一需求的高效洁净能源。

1.1燃料电池的概念及特点

燃料电池是把化学反应的化学能直接转化为电能的装置。与传统的发电方式相比较,关键的区别是燃料电池的能量转化过程是直接的。燃料电池需要清洁的

燃料比如天然气作为反应气体,像煤和生物质这样的燃料可以通过部分氧化或气化转化成合成气后供燃料电池使用，与一般电池一样,燃料电池也是由阴极，阳极，电解质构成的。燃料通入燃料电池的阳极后被氧化成阳离子并释放出电子,氧气或空气在燃料电池的阴极得到电子后形成阴离子,阴离子通过电解质向阳极扩散,并同阳极的阳离子发生电化学反应。电子由电池的阳极通过外电路到达电池的阴极从而形成回路。图1给出了氢一氧燃料电池的工作原理示意图

图1 燃料电池的工作原理示意图

虽然燃料电池和电池都是将化学能转化成电能的装置,但不同之处在于燃料电池是能量转化装置,而电池是能量存储装置。对于电池,其化学能被存储在电池中,当电池内储存的化学反应物耗尽时,电池就不能再发出电能"而对于燃料电池,其所需的燃料和氧化剂只有当燃料电池发电时,才从外部供给燃料电池,燃料和氧化剂是独立于燃料电池本身的,只要不断向其供给燃料和氧化剂,就可以连续不断的发电。

燃料电池的种类很多,分类方法也有多种。可以根据其温度分为低温(25100)中温(100500)和高温(5001100)燃料电池最常用的分类方法是根据电解质的性质,将燃料电池划分为五大类:碱性燃料电池(AFC),磷酸燃料电池(PAFC),质子交换膜燃料电池(PEMFC),熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)和固体氧化物燃料电池(SOFC)表1给出了主要燃料电池极其特性

表1 主要燃料电池极其特性

固体氧化物燃料电池(SOFC)是八十年代发展起来的一种高温燃料电池,通常被视为固定发电厂的候选,是一种最有前途的高效，洁净发电技术之一。SOFC的自身特点决定了它在许多领域有着广泛的应用前景,如：

(1)固定式大型电站；

(2)中小型分散型电站或备用电源；

(3)移动式辅助电源，便携式电源；

(4)军事，航天航空应用等。

1.2固休氧化物燃料电池

1.2.1固休氧化物燃料电池的结构类型及其特点

SOFC的结构包括几何构型和组装方法,它是电池制备工艺的基础和SOFC技术创新的主要方面。合理的SOFC结构应具有四个基本特征,即性能可靠，便于放大，方便维修和价格低廉。SOFC的构型不同,对其研究的内容和电池的制作方法也不同，虽然SOFC的研究过程中先后出现了多种构型的SOFC,但经过长期的发展和优化,目前采用的SOFC结构类型主要有管式，平板式和瓦楞式三种。三种SOFC电池结构如图2，图3，图4所示,三种SOFC电池结构的优缺点如表2所示。

图2 管式SOFC电池组的结构图3 平板式SOFC电池组的结构

图 4 瓦楞式SOFC电池组的结构

1.2.2 SOFC工作原理

SOFC与其他燃料电池的主要区别在于它采用固体氧化物电解质，其内输运的离子为氧离子。为了减小离子在电解质的运动阻力。一般在比较高的温度下工作(500～1000℃)。

在阴极，空气中的氧气结合外电路输运过来的电子，在电极催化作用下，形成氧离子：

+2e?→ ?

在电化学势的驱动下,氧离子通过固态电解质被传输至阳极。在那里氧离子在阳极催化作用下与那里的燃料（比如H2，CO）发生电化学反应，生成相应的产物（比如水蒸气和CO2，同时伴随着电子的释放：

H+ ?→H+2e?

+ ?→+2e?

产生的产物和未反应的燃料通过气道排出，电子则通过外电路回到电池的阴极，形成完整回路。并伴随着向外输出电功。在闭合电路下，只要燃料和空气持续不断地供给，那么电池就能连续将化学能转化为电能。固体氧化物燃料电池的基本工作原理如图5所示：

图5 工作原理示意图

2固体燃料电池多物理场模拟

2.1控制方程

2.1.1动量守恒方程

Navier-Stokes方程可以用来模拟燃料气道和空气气道中的动量传输过程。Navier-Stokes方程和连续性方程相结合可表示为：

(ρu??)u=??p+??[μ(?u+(?u)T)?2

μ(??u)I]

??(ρu)=0

式中，ρ是密度，I是单位矩阵，μ是流体的粘滞系数。

2.1.2能量守恒方程

温度是最重要的参数之一，因为SOFC很多性质与温度密切相关。在流体区域热传导和热对流必须同时考虑，可以用方程表示为：

??N T(?k f?T+f p Tu)=Q

式中，f是流体的摩尔浓度，p是流体的摩尔热容，k f是流体的热导率。

2.1.3质量守恒方程

对于SOFC 来说，电极中孔的直径典型的分布范围为0.2～1um 。SOFC 多孔电极的质量运输模型最准确的是尘气模型。尘气模型的摩尔形式如下：

N i

D iK

+∑

x j N i ?x i N j

D ij

j=1

=?1(P?x i +x i ?p +x i ?p kp D iK

)

式中，N i 是物质i 的总摩尔流量，x i 是物质i 的摩尔分数，R 是气体常数，T 是

绝对温度，p 是气体总压强，k 是渗透系数，μ是粘滞系数，D iK eff

是物质i 的有效Knudsen 扩散系数，D ij eff 是物质i 与物质j 的二元扩散系数。

2.1.4导电方程

电子电流密度和离子电流密度由电荷守恒决定，结合欧姆定律，电荷守恒方程可以表示为：

??i el =??(?σel eff

?φel ){0

ASL

?S current

AFL S current

??i io =??(?σio eff

?φio ){

S current

AFL

电解质?S current FL

式中，i el 和i io 分别是电子电流密度和离子电流密度，?φel （φio ）为局域的电子

（离子）电势，S current 为电流源，σel eff （σio eff

）是有效电子（离子）电导率。

2.2物理模型

典型的阴极支撑的SOFC 由五层组成，如图6所示。a.阳极电流收集层（ACCL ）。为了减小气体输运的阻力，此层具有相对比较大的Ni 和YSZ 颗粒和高的孔隙率。b.阳极功能层（AFL ），为了减小活化极化，此层具有相对比较小的Ni 和YSZ 颗粒和低的孔隙率以增大单位体积中的三相线长度。c.电解质层d.阴极功能层（CFL ）,此层具有相对比较小的LSM 和YSZ 颗粒和低的孔隙率，增大了单位体积中的三相线长度，减小了阴极的活化损失。e.阴极支撑层（CSL ），此层具有相对比较大的LSM 颗粒和高的孔隙率。

图6 典型的阴极支撑的SOFC 物理模型

考虑到对称性，我们的计算区域仅仅包括重复单元的一半，如上图中处于中间框中的区域，气道及连接体rib 可以用气体浓度和电势边界条件的形式替代。

2.3数学模型

2.3.1气体输运控制方程

气体在SOFC 多孔电极中的输运过程非常复杂，包括三种截然不同的输运机制：Knudsen 扩散、分子扩散和黏滞流。因次为了准确描述气体在SOFC 多孔电极中的输运过程就必须使用尘气模型，这是因为尘气模型不仅考虑了分子间的碰撞，同时也考虑了分子与孔壁的碰撞。对于两组分的体系尘气模型经过推导可以给出每种组分流量的解析表达式。

物质i （i=1,2）的总的摩尔流量可以表达为：

N i =?

D 1 eff D iK

eff

D 1 eff +x 1D K eff

+x D 1K

eff ?c i ?c i

[D 1K eff D K

eff

RTc tot (D 1 eff +x 1D K eff +x D 1K eff )

μ]?p =?D i ?c i ?c i k ′?p

=N i diffusion +N i convection

2.3.2导电控制方程

电子电流密度和离子电流密度由电荷守恒决定，结合欧姆定律，电荷守恒方程可以表示为：

??i el =??

(?σel eff ?φel ){0

ASL

?S current

AFL S current

??i io =??(?σio eff

?φio ){

S current

AFL

0电解质?S current

2.4边界条件

正如上面所描述的那样，此模型考虑了气体输运过程、离子导电过程、电子导电过程和Butler-Volmer 方程。为了求解这些耦合的偏微分方程需要设置合理的边界条件。表2列出了质量输运方程的边界设置。由于在电极/电解质交界面发生电化学反应，所以在此边界上设置了物质的摩尔流量。表3列出了电子导电方程和离子导电方程的边界设置。表4列出了模型的基本参数。

表2 质量输运方程的边界设置

注：“绝缘”表示通过此边界的流量为零

由于在电极/电解质交界面发生电化学反应，所以在此边界上设置了物质的摩尔质量。表2列出了电子导电方程和离子导电方程的边界设置。由于气体的氧化作用，所以在rib/电极交界面设置了接触电阻。

表3 电子导电方程和离子导电方程的边界设置

注：“电绝缘”表示法向电流密度为零

因此流过rib/阳极界面的电流密度i rib→ACCL 和流过rib/阴极界面的电流密度i CSL→rib 与接触电阻的关系为：

i rib→ACCL =φe,rib /ACCL ?φe,ACCL/rib

ASR contact

（11）

i CSL→rib =

φe,CSL/rib ?φe,rib /CSL

ASR contact

an （12）

式中，ASR contact an

是接触电阻，φe,rib/ACCL 和φe,ACCL/rib 分别是rib/阳极交界面

处rib 侧和阳极侧的电子电势，φe,CSL/rib 和φe,rib/CSL 分别是rib/阴极交界面处rib 侧和阴极侧的电子电势表3列出了模型的基本参数。

表4 电池模型的基本参数

操作参数

T V op p H 2o p O 2o p O 2o 700℃ 0.7V 0.97atm 0.03atm 0.21atm 电池组件 CSL CFL 电解质 AFL ACCL 厚度/μm

500 20 8 20 50 ε 45% 26% - 23% 48% θcl 100% 47.5% - 55% 55% σel eff /(S/m) 4000 25.0 - 1484 451 σio eff /(S/m) - 0.14 1.6 0.12 - r el /r io 1 1.85 - 2.71 2.71 r io /μm

0.6

0.2

0.3

E O

/(J/mol)- 130×103- - -

αf ca,βr ca- 0.65,0.35 - - - ca/(A/m)- 2×103- - - i0,ref

/(J/mol)- - - 120×103-

E H

αf an,βr an- - - 1,0.5 - an/(A/m)- - - 8.0×10?3- i0,ref

r 3 3 - 3 3 an/(Ω/cm2)- - - - 0.01 ASR contact

ca/(Ω/cm2）0.01 - - - - ASR contact

3结果与讨论

模拟时研究了阳极材料的厚度，阴极材料的厚度以及连接体肋片的厚度对燃料电池气道中气体浓度的分度，电势的分布。利用Comsol软件建立模型，并进行有关反应结果的分析。应用上述数学模型，对平板状阴极支撑固体氧化物燃料电池单电池进行了模拟，其浓度分布结果见图7。从图中可以知道氢气质量分数在多孔阳极和燃料通道中的分布情况，燃料由入口向出口流动过程中由于在阳极/电解质界面发生电化学反应，是氢气不断消耗的同时产生水，所以氢气质量分数不断减小，水的质量分数则不断增加。

图7 浓度分布结果

3.1电势分布

图8表示不同入口气体成分沿燃料通道方向上的电势分布云图。当燃料为纯氢气时，在燃料入口附近电势值较低，随着燃料向出口方向流动，电势值先增加然后减少。因此可以得出：要想获得电势均匀分布就必须确保入口处和出口处不能出现低反应物或产物浓度。

图8 沿燃料通道方向上的电势分布

3.2不同阳极厚度燃料电池的浓度分布

AFL=28E-6mm；50E-6mm；100E-6mm，阴极材料取0.5mm，得到不同阳极厚度下燃料电池中的气体浓度分布，如图8，9,10所示。

图8AFL=28E-6m浓度场

图9 AFL=50E-6m浓度场

图10 AFL=100E-6m浓度场

从图8,9,10中可以看出，再与上面对比可以看出，当几何结构变化时（AFL=28E-6mm；50E-6mm；100E-6mm；），反应物在垂直于燃料流动方向的分布

几乎没有影响。从浓度分布可以看出燃料电池的氧化还原反应较多的是在气道入口处一段进行的，不同的阳极厚度对通道内气体的浓度影响不大。不同的阳极材料厚度对阴极侧燃料的浓度影响不大，阳极的氢气随着燃料不断的往气道里面流动，其质量分数越来越少，燃料由入口向出口流动过程中由于在阳极/电解质界面发生电化学反应，是氢气不断消耗的同时产生水，所以氢气质量分数不断减小，水的质量分数则不断增加。

3.2.1不同阳极厚度燃料电池的电势分布

同样分别取取阳极功能层厚度AFL=28E-6mm；50E-6mm；100E-6mm，阴极材料取0.5mm，得到不同阳极厚度下燃料电池电势分布，如图11，12,13所示。

图11 AFL=28E-6m电势场

图12 AFL=50E-6m电势场

图13 AFL=100E-6m电势场

从图11,12,13可以看出，不同的阳极功能层厚度所对应的电势图，其对电势还是有一定的影响。当燃料为纯氢气时，在燃料入口附近电势值较低，随着燃料向出口方向流动，电势值先增加然后减少。这是由于燃料在流动过程中在不断反应使得浓度逐渐消耗，从而造成电势的变化。可以看出当阳极厚度较少时对阴极的电势分布有一定影响。

3.3阴极厚度对燃料电池性能影响

通过软件设置，改变阴极厚度，将阴极厚度分别调至0.8mm，0.3mm，0.2mm，可得浓度分布和电势分布如下图所示：

图14 0.8mm阴极厚度的SOFC浓度分布情况

图15 0.3mm阴极厚度的SOFC浓度分布情况

图16 0.2mm阴极厚度SOFC浓度分布情况

图17 0.8mm阴极厚度的SOFC电势分布情况

图18 0.3mm阴极厚度的SOFC电势分布情况

图19 0.2mm阴极厚度SOFC电势分布情况

由上图可知，随着阴极厚度的增加，对于本身氢气的浓度分布趋势是保持一致的，SOFC在进口处的浓度要越高，并且越靠近电解质中心区域的浓度也要越高。随着阴极厚度的增加，阴极处进口到出口间的电势逐渐降低，近出口处电解质处到阴极处间的电势由高到低，且电势分布越来越明显。综上所述，随着阴极厚度的增加，电离过程越来越明显，电池性能越高。

3.4连接体宽度变化对浓度、电势分布的影响

改变rib的宽度，由原来的1e-4m改为2e-4m和5e-5m，对不同宽度的连接体进行模拟分析，得到2e-4m、5e-5m两个连接体宽度的燃料电池浓度及电势的分布如下：

图20 2e-4m连接体rib宽度的浓度分布情况

图21 5e-5m连接体rib宽度的浓度分布情况

图22 2e-4m连接体rib宽度的电势分布情况

图23 5e-5m连接体rib宽度的电势分布情况

由上图可知，随着rib尺寸的变大，电流密度在逐渐增大，氢气的浓度分布变化不是特别明显，电势分布情况更加明显，电离程度越高，从而使得电池的性能更好。并且浓差极化现象并不存在。电势随着氢气的流动方向逐渐增大。

4 结论

（1）在固体氧化物燃料电池中，当燃料为纯氢气时，在燃料入口附近电势值较低，随着燃料流动方向，电势先增加然后减少。要想获得电势均匀分布就必须确保入口处和出口处不能出现低反应物或产物浓度。氢气浓度随着气流方向逐渐减少，而产物水逐渐增加。

（2）在固体氧化物燃料电池中，当几何结构变化时（阳极厚度增加），反应物在垂直于燃料流动方向的分布几乎没有影响。固体氧化物燃料电池性能随着阴极

厚度的增大而改善。

（3）固体氧化物燃料电池性能随着连接体rib宽度的增加而增大，电势分布情况更加明显，反应情况更高性能更好。这次多物理场模拟实验课程极大地激起了我对模拟软件的兴趣，在学习过程中不仅了解了多物理场耦合模拟软件Comsol，还让我触类旁通学会了如何使用ansys,我相信现在对模拟软件的认真学习，对我以后的科研和工作都会有极大的帮助。

参考文献

[1] 孔为.固体氧化物燃料电池和磁控溅射阴极的理论分析与优化设计.合肥：中国科学技术大学，2012.

[2] 陈代芬.固体氧化物燃料电池性能的微结构理论与多尺度多物理场模拟.合肥，中国科学技术大学，2010.

[3] 李彦.固体氧化物燃料电池的电极材料研究和单电池数值模拟.杭州，浙江大学，2006.

[4] KONG W,LI J,LIU S,et al.The influence of interconnect ribs on the performance of plannar solid oxide fuel cell and formulae for optimal rib sizes. Journal of Power Sources,2012.

[5] ZHAO F,VIRKAR A V. Dependence of polarization in anode-supported solid oxide fuel cells on various cell paremeters. Journal of Power Sources,2005.

[6] Kakac S, Pramuanjaroenkij A, et al. A review of numerical modeling of solid oxide fuel cells .Int J hydrogen Energy,2007.

新型固体燃料电池

新型固体燃料电池香山科学会议第97次学术讨论会于1998年6月14日一17日在北京香山举行。会议主题为“新型固体燃料电池”。王佛松院士、W．Weppner(德国，基尔大学)教授、陈立泉研究员、孟广耀教授担任本次会议的执行主席。来自美国、日本、欧洲的8名专家学者和30余名中国专家学者参加了本次会议。这次会议是在总结介绍国内外先进燃料电池领域的现况、存在问题和发展前景的基础上，从社会可持续发展对绿色能源的迫切要求出发，侧重于对新型固体燃料电池研究开发中的新进展、新概念、新见解的交流和讨论。一、2l世纪的绿色能源和最佳发电系统中国科技大学孟广耀教授作了题为“新型固体燃料电池—21世纪的绿色能源”的综述报告。他认为，一个适于所有化石燃料和其它生物质或可持续能源的绿色能源路线，是集汽化联合循环、无机膜反应器和陶瓷膜过滤器以及燃料电池为一体，发展新型固体氧化物燃料电池。这种新型燃料电池是采用新型固体电解质，通过新颖的软化学制造路线实现薄膜化和整个结构优化的，可以在中、高温中操作，通过全面深入的基础研究可达到高效率、低成本，从而实现人类绿色能源的理想。孟广耀指出，燃料电池是一类高能量转换效率的洁净、安全和方便的能源系统，实际上也是一类包括燃料重整和转换以及电化学反应过程等在内的无机膜

反应器。孟广耀综合分析了国际上固体燃料的研究现状和发展思路，认为SOFC 是采用离子导体陶瓷为电解质的高温燃料电池。与传统的燃煤燃气发电技术和其它燃料电池比较，SOFC有许多优点，SOFC被认为是最适合应用于电站系统的先进燃料电池技术。他还归纳了SOFC目前所遇到的主要困难，并特别强调了制作中的软化学路线问题。中国科学院上海硅酸盐所严东生院士和温廷琏研究员分别作了题为“燃料电池特别是固体燃料电池的回顾和展望”、“中国燃料电池的研究与开发”的评述报告。严东生概要地介绍了碳酸盐燃料电池及以固体氧化物燃料电池和聚合物电解质燃料电池为代表的新型固体燃料电池，分析了它们的发展现状、各自具有的优点及存在的不足之处，以及今后的发展趋势。温廷琏专门介绍了碱金属燃料电池(AFC)、高聚物电解质膜燃料电池(PEMFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)和固体氧化物燃料电池(SOFC)等四种电池在中国有关机构和工业界的研究与开发情况，同时指出，与美国、日本、欧洲等尚有很大距离，但发展燃料电池已成为国家政策，预期可有长足进步。来自美国A11ied Singnal公司的国际著名燃料电池专家N．Q．Minh博士在对PEMFC和SOFC这两类电池的关键特性、关键技术以及它们的发展趋势进行讨论之后认为，PEMFC和SOFC是目前发展中的两类主要的固体燃料电池技术，在发电应用(电站系统)方面具有广泛的适用性。瑞士联邦能源办公室燃料电池项目负责人Leo Dubal博士作了“瑞士研究开发固体燃料电池l0年之经验教训”的报告。他从项目管理的角度展示了技术成就，概述了所获得的最重要的经验教训。瑞典皇家工学院朱斌研究员在对比分析传统高温SOFC与中温

固体氧化物燃料电池

目录 1引言 (2) 1.1燃料电池的概念及特点 (2) 1.2固休氧化物燃料电池 (4) 1.2.1固休氧化物燃料电池的结构类型及其特点 (4) 1.2.2 SOFC工作原理 (5) 2固体燃料电池多物理场模拟 (6) 2.1控制方程 (6) 2.1.1动量守恒方程 (6) 2.1.2能量守恒方程 (6) 2.1.3质量守恒方程 (6) 2.1.4导电方程 (7) 2.2物理模型 (7) 2.3数学模型 (8) 2.3.1气体输运控制方程 (8) 2.3.2导电控制方程 (8) 2.4边界条件 (9) 3结果与讨论 (11) 3.1电势分布 (12) 3.2不同阳极厚度燃料电池的浓度分布 (12) 3.2.1不同阳极厚度燃料电池的电势分布 (14) 3.3阴极厚度对燃料电池性能影响 (15) 3.4连接体宽度变化对浓度、电势分布的影响 (18) 4 结论 (19)

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燃料电池及其发展前景

燃料电池及其发展前景燃料电池及其发展前景作者: Raymond George Klaus Hassmann燃料电池具有非同寻常的性能：电效率可达60％以上，而且可以在带着部分负荷运行的情况下进行维修，除了有低比率碳氧化物排放外几乎没有任何有害的排放物。文章介绍按温度划分的4种主要燃料电池(PEMFC、PAFC、MCFC和SOFC)的性能，重点介绍高温固体氧化物燃料电池(SOFC)的应用及其发展前景。 With demonstration projects fuel cells are Well uder way toward penetrating the power market,covering a wide range of application．This paper introduces the main four types of fuel cells which are PEMFC,PAFC，MCFC and SOFC．Then it puts the emphasis on SOFC and its application market．燃料电池是通过由电解液分隔开的2个电极中间的燃料(如天然气、甲醇或纯净氢气)的化学反应直接产生出电能。与汽轮发电机生产的电能相比，燃料电池具有非同寻常的特性：它的电效率可达60％以上，可以在带部分负荷运行的情况下进行维修，而且除了排放低比率碳氧化物外，几乎没有任何其他的有害排放物。1 燃料电池的分类目前研制的燃料电池技术在运行温度上有不同的类型，从比室温略高直到高达1000℃的范围。大多数工业集团公司的注意力集中在以下4种主要类型上：(1)运行温度在60-80℃之间的聚合物电解液隔膜型燃料电池(PEMFC)；(2)运行温度在160-220℃之间的磷酸类燃料电池(PAFC)；(3)运行温度在620-660℃之间的熔融碳酸盐类燃料电池(MCFC)；(4)运行温度在880-1000℃之间的固体氧化物燃料电池(SOFC)。可以将这些类型的燃料电池划分为低温型(100℃及以下)、中温型(约200℃左右)及高温型(600-l000℃)燃料电池。表1简要地列出了各种类型燃料电池的性能。中温型和高温型燃料电池适于用在静止式装置上，而低温型燃料电池对于静止装置和移动式装置都适用。实用装置的功率容量差别也很大，可以给笔记本电脑及移动电话供电(数以W计)，也可以给居民住宅(数kW)或是分散的电热设备和动力设备(数百KW到数MW)供电。最适于用来驱动汽车的是低温型燃料电池。根据使用期限成本进行的经济性比较结果表明，就发电成本而言，SOFC型燃料电池要PEM型低30％。这个结果是根据SOFC型燃料电池的电效率比PEM型的高，

固体氧化物燃料电池(SOFC)研究现状

固体氧化物燃料电池(SOFC)研究现状伍永福，赵玉萍，彭军内蒙古科技大学（014010）摘要：燃料电池在运行过程中具有良好的安全可靠性、环境友好性、可操作性和灵活性，这些优点赋予了燃料电池极强的生命力和长远的发展潜力。本文就固体氧化物燃料电池的研究现状阐述了固体氧化物燃料电池的原理、特点及电池材料的研究进展，就Ni基阳极燃料电池存在的问题，提出在寻找Ni基阳极的替代阳极方面，（一是氧化物阳极，如（Ba/Sr/Ca/La）MxNb1-x O3-δ阳极；二是其他金属基阳极，如Cu基阳极。）作进一步研究的必要。 0.6 关键词：固体氧化物燃料电池，电导率，扩散，极化 1、固体氧化物燃料电池(SOFC)的发展概况热电厂首先经燃料的燃烧把化学能转变为热能，再由热能转变为机械能，最后把机械能转变为电能，受卡诺循环的制约，在最好的条件下能量转化率也只有35%，实际情况不到20%。燃料电池是继水力、火力、核能发电技术后的第四类新型发电技术，它是一种不经燃料燃烧直接将化学能转变为电能的高效发电装置。由于不受卡诺循环的限制，燃料电池的理论效率达80%以上，实际效率可达50%—60%。其反应产物主要是水和二氧化碳，而且向大气中排放的有害物质很少，故造成的环境污染很低。另外，占地面小，建设周期短，可实行模块式组装，运行质量高、噪音小；使用方便灵活，既可用于中央集中型的大型电厂，也可作为电动汽车，轻型摩托的小型驱动电源。燃料电池在运行过程中具有良好的安全可靠性、环境友好性、可操作性和灵活性，这些优点赋予了燃料电池极强的生命力和长远的发展潜力[1]。现在正运行的燃料电池都是用H2作燃料，或者碳氢化合物重整出H2，操作费用高，而且电池寿命不长，特别是使用碳氢化合物的电池更是如此。由于H2的制作费用较高，而且其运输、储存都很不方便，并隐含着危险，所以用H2作燃料的燃料电池难于实用化。而炭氢燃料在大自然储量比较丰富，有的(如CH4)不仅较容易制取，而且有利于环境的保护，因此现在固体氧化物燃料电池向着燃料多元，低温度操作方向发展。早在1839年英国人William Grove就报道了燃料电池的工作原理，但固体氧化物燃料电池的起步却比较晚，1899年Nerest发现了固体氧化物电解质，1937年Baur和Preis首次操作固体氧化物燃料电池，其工作温度为1000℃。自此，固体氧化物燃料电池取得了很大的进展。特别是本世纪70年代末，材料科学的迅速发展使其研究开发工作更加令世人瞩目。目前已经开发成功的固体氧化物燃料电池主要有两种类型，它们分别以氧离子和质子作电池的电荷载体。其中，基于氧离子传导的固体氧化物燃料电池是研究较多且相对成熟的一种。 2、固体氧化物燃料电池(SOFC)的工作原理与特点 2.1、SOFC工作原理固体氧化物燃料电池(SOFC)是继磷酸盐燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)之后，第三代燃料电池，其工作温度一般在600－1000℃左右，工作原理如图(1)所示，电动势来源于电池两侧不同的氧分压。其单体电池是由正负两个电极(负极为燃料电极，正极为氧化剂电极)以及电解质组成。阳极、阴极的主要作用是导通电子和提供反应气体、产物气体的扩散通道。固体电解质将两侧的气体分隔开来，由于两侧氧分压的不同，产生了氧的化

固体氧化物燃料电池_彭苏萍

固体氧化物燃料电池* 彭苏萍1 韩敏芳 2,- 杨翠柏2 王玉倩 2 (1 中国矿业大学北京校区资源学院北京 100083)(2 中国矿业大学北京校区化学与环境工程学院北京 100083) 摘要高效、洁净、全固态结构、高温运行的固体氧化物燃料电池(SOFC)是把反应物的化学能直接转化为电能的电化学装置,这种新型发电技术是目前发展最快的能源技术之一,有望在近年内走向商业化应用.SOFC 单体电池由致密的电解质和多孔的阳极、阴极组成,现在主要发展了管状结构和平板式结构两种形式.单体电池通过致密的连接体材料以各种方式组装成电池组,广泛应用于大型发电厂、热电耦合设备、小型供能系统和交通工具等,市场前景广阔. 关键词固体氧化物燃料电池(SOFC),新型能源 Solid oxide fuel cells PENG Su -Ping 1 HAN Min -Fang 2,- YANG Cu-i Bai 2 WANG Yu -Qian 2 (1 De pa rtme nt o f Resou rce s Deve lo pmen t En gin ee rin g ,Ch ina Un iversity o f Min ing &Tech nolog y ,Bei j in g 100083,Ch ina)(2 De pa rtme nt o f Che mical&En viron menta l Eng inee rin g ,China Un ive rsity o f Min in g &Tec hnolog y ,Bei jing 100083,Ch ina) Abstract Solid oxide fuel cells (SOFCs)conve rt che mical energy in the reaction materials to elec trical energy d-i rectly,and are cha racterized by their high effeciency,cleanline ss,al-l solid struc ture,and high te mpe ra ture opera -tion.This ne w technology is one of the faste st developing forms of energy source,and may well be applied commercia-l ly in the near future.A single cell consists of a dense electrolyte between a porous anode and cathode,in a seamless tube or fla -t plate struc ture.The cells a re then stacked together in various ways with dense interconnecting compo -nents.SOFCs may be used in la rge power stations,thermal electric co -generators,small po wer supply syste ms,trans -portation ve hicles,and so on,and have great marke t potential.Key words solid oxide fuel cell,new energy source * 国家杰出青年科学基金(批准号:50025413)资助项目 2003-03-19收到初稿,2003-04-21修回 - 通讯联系人.E -mail:h mf121@hotmai https://www.wendangku.net/doc/0012776596.html,,h mf@cu mtb.ed https://www.wendangku.net/doc/0012776596.html, 1 固体氧化物燃料电池发展背景和技术现状燃料电池的历史可以追溯到1839年,固体氧化物燃料电池(简称SOFC)的开发始于20世纪40年代,但是在80年代以后其研究才得到蓬勃发展.以美国西屋电气公司(Westinghouse Electric Company)为代表,研制了管状结构的SOFC,用挤出成型方法制备多孔氧化铝或复合氧化锆支撑管,然后采用电化学气相沉积方法制备厚度在几十到100L m 的电解质薄膜和电极薄膜.1987年,该公司在日本安装的 25kW 级发电和余热供暖SOFC 系统,到1997年3月成功运行了约1.3万小时;1997年12月,西门子西屋公司(Siemens Westinghouse Electric Company )在荷兰安装了第一组100kW 管状SOFC 系统,截止到2000年底关闭,累计工作了16,612小时,能量效率为46%;2002年5月,西门子西屋公司又与加州大学合作,在加州安装了第一套220kW SOFC 与气体 # 90#物理

燃料电池的原理及发展

燃料电池原理与发展燃料电池是一种能够持续的通过发生在阳极和阴极的氧化还原反应将化学能转化为电能的能量转换装置。燃料电池与常规电池的区别在于，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。由于燃料电池能将燃料的化学能直接转换为电能，因此，它没有像普通火力发电厂那样的通过锅炉、汽轮机、发电机的能量形态变化，可避免过程中转换损失，达到市制发电效率。近20多年来，燃料电池经历了碱式、磷酸、熔融碳酸盐和固体电解质等几种类型的发展阶段。美、日等国已相继建立了一些碳酸燃料电池电厂、熔融碳酸盐燃料电池电厂和质子交换膜燃料电池电厂。燃料电池的结构与普通电池基本相同，有阳极和阴极，通过电解质将这两个电极分开。与普通电池的区别是，燃料电池是开式系统。它要求连续供应化学反应物，以保证连续供电。其工作原理：燃料电池由阳极、阴极和离子导电的电解质构成，其工作原理与普通电化学电池类似，燃料在阳极氧化，氧化剂在阴极还原，电子从阳极通过负载流向阴极构成电回路，产生电流。介绍一下熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）一、MCFC概述 1.1 燃料电池简述燃料电池(FC)是一种将贮存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置，结构如图1-1所示。它的发电方式与常规的化学电源一样，电极提供电子转移的场所，阳极催化燃料(如氢)的氧化过程，阴极催化氧化剂(如氧)的还原过程，导电离子在将阴阳极分开的电解质内迁移，电子通过外电路作功并构成总的电回路。在电池内这一化学能向电能的转化过程等温进行，即在燃料电池内，可在其操作温度下利用化学反应的自由能。但是，燃料电池的工作方式又与常规的化学电源不同，它的燃料和氧化剂并非贮存在电池内。同汽油发电机相似，它的燃料和氧化剂都贮存在电池之外的贮罐中。当电池工作时，要连续不断地向电池内送入燃料和氧化剂，排出反应产物，同时排出一定的废热，以维持电池温度的恒定。燃料电池本身只决定输出功率的大小，其贮能量则由燃料罐和氧化剂罐的贮量决定。总体上，燃料电池具有以下特点： (l) 不受卡诺循环限制，能量转换效率高。 (2) 燃料电池的输出功率由单电池性能、电极面积和单电池个数决定。

固体氧化物燃料电池发展及展望

万方数据

固体氧化物燃料电池发展及展望作者：韩敏芳，尹会燕，唐秀玲，彭苏萍， HAN Min-fang， YIN Hui-yan， TANG Xiu-ling ， PENG Su-ping 作者单位：中国矿业大学,煤气化燃料电池联合研究中心,北京,100083 刊名：真空电子技术英文刊名：VACUUM ELECTRONICS 年，卷(期)：2005(4) 被引用次数：2次参考文献(47条) 1.查看详情 2.查看详情 3.查看详情 4.查看详情 5.查看详情 6.查看详情 7.查看详情 8.查看详情 9.查看详情 10.查看详情 11.韩敏芳;彭苏萍固体氧化物燃料电池-材料及制备 2004 12.Kathy Haq Dir. Of Outreach and Communications, National Fuel Cell Research Center 2004 13.查看详情 14.查看详情 15.查看详情 16.查看详情 17.查看详情 18.查看详情 19.查看详情 20.查看详情 21.查看详情 22.查看详情 23.查看详情 24.查看详情 25.查看详情 26.查看详情 27.查看详情 28.查看详情 29.查看详情 30.查看详情

31.查看详情 32.查看详情 33.查看详情 34.Kathy Haq Dir. Of Outreach and Communications, National Fuel Cell Research Center 2004 35.查看详情 36.查看详情 37.查看详情 38.查看详情 39.查看详情 40.Han Minfang;TIAN Y e;LIANG Jie Application Prospect of Underground Coal Gas Used in SOFC 41.查看详情 42.查看详情 43.查看详情 44.查看详情 45.查看详情 46.查看详情 47.查看详情引证文献(2条) 1.由宏新.高国栋.周亮.阿布理提·阿布都拉乙醇在Ni-ZnO-ZrO_2-YSZ阳极SOFC上的发电性能[期刊论文]-燃料化学学报 2010(1) 2.刘洁.王菊香.邢志娜.李伟燃料电池研究进展及发展探析[期刊论文]-节能技术 2010(4) 本文链接：https://www.wendangku.net/doc/0012776596.html,/Periodical_zkdzjs200504007.aspx

中国燃料电池发展前景分析

中国燃料电池发展前景分析燃料电池是将燃料具有的化学能直接变为电能的发电装置。根据电解质种类不同，燃料电池基本分为五种：碱性燃料电池（AFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、磷酸燃料电池（PAFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）以及质子交换膜燃料电池（PEMFC）。燃料电池具有以下优点：能量转换效率高；无污染零排放；模块化结构，维护保养成本低；燃料来源广泛，通过多种方式制备。质子交换膜燃料电池凭借其特性主要应用于新能源汽车。对比其他几种燃料电池，质子交换膜电池输出功率密度高，质量功率高，可在室温条件下工作，同时起动迅速，主要应用于新能源汽车。燃料电池种类

质子交换膜电池主要由质子交换膜、催化剂，双极板等构成。当它工作时，氢气进入阳极扩散层，并在催化剂的作用下转化为质子和电子；氧气进入阴极扩散层，并在催化剂的作用下得到电子转变为 O2- 离子；质子通过质子交换膜到达阴极与 O2-作用形成水，电子则通过外电路回到阴极，在这个过程中产生并提供电能。一、电池系统电池系统是燃料电池汽车产业链的核心环节，而电池堆是其重要组成部分。燃料电池汽车产业链包括上游矿产等相关资源，中游的电池系统、电机电

控以及下游的整车厂、加氢站及服务等。燃料电池电池系统分为两大部分：一是电池堆，包括质子交换膜、催化剂、扩散层和双极板；二是其他部件，包括空压机、储氢瓶。电池堆包括质子交换膜、催化剂、扩散层和双极板。其中质子交换膜直接影响燃料电池的使用寿命；催化剂决定电极反应的效率；扩散层起到支撑催化层，收集电流，传导气体和排出水作用；双极板则负责把燃料和空气分配到两个电极表面以及电池堆散热。电池堆组成部分情况

固体氧化物燃料电池(SOFC)

固体氧化物燃料电池(SOFC)及其发展摘要：固体氧化物燃料电池是将燃料中的化学能直接转化为电能的电化学装置，具有高效率、零污染、无噪声等特点。它可以为民用、贸易、军事和交通运输等提供高质量的电源。这一技术的成功应用对于缓解能源危机、满足对电力数目和质量的需求、保护生态环境和国家安全都具有重大的意义。本文简略地介绍了固体氧化物燃料电池及现状和存在的题目，并提出了值得深进研究的课题。关键词：固体氧化物燃料电池(SOFC)，现状，发展 1．固体氧化物燃料电池发展背景燃料电池的历史可以追溯到1839年，SOFC的开发始于20世纪40年代，但是在80年代以后其研究才得到蓬勃发展。以美国西屋电气公司(Westinghouse Electric Company)为代表，研制了管状结构的SOFC，用挤出成型方法制备多孔氧化铝或复合氧化锆支撑管，然后采用电化学气相沉积方法制备厚度在几十到100μm的电解质薄膜和电极薄膜。1987年，该公司在日本安装的25kW级发电和余热供热SOFC系统，到1997年3月成功运行了约1. 3万小时；1997年12月，西门子西屋公司(Siemens Westinghouse Electric Company)在荷兰安装了第一组100kW管状SOFC系统，截止到2000年底封闭，累计工作了16 ,612小时，能量效率为46 %；2002年5月，西门子西屋公司又与加州大学合作，在加州安装了第一套220kW SOFC与气体涡轮机联动发电系统，目前获得的能量转化效率为58 %，猜测有看达到70 %。接下来预备在德国安装320kW 联动发电系统，建成1MW的发电系统，预计2005年底，管状结构SOFC走向贸易化。同时，日本三菱重工长崎造船所、九州电力公司和东陶公司、德国海德堡中心研究所等也进行了千瓦级管状结构SOFC发电试验. 另外，加拿大的环球热电公司( Global Thermoelectric Inc. )，美国GE、Z2tek 等公司在开发平板型SOFC上取得进展，目前正在对千瓦级模块进行试运行。环球热电公司获得的功率密度，在700℃运行时，达到0. 723W/cm2。日本产业技术院电子技术综合研究所从1974 年开始研究SOFC，1984年进行了 500W发电试验，最大输出功率为1. 2kW。日本新阳光计划中，以产业技术综合开发机构(NEDO)为首，从1989年开始开发基础制造技术，并对数百千瓦级发电机组进行测试。1992年开始，富士电机综合研究所和三洋电机在共同研究

燃料电池客车发展情况与技术发展趋势

燃料电池客车发展情况及技术发展趋势一、燃料电池汽车政策分析《关于2016-2020年新能源汽车推广应用财政支持政策方的通知》（财建(2015)134号）中明确：“2017-2020年，除燃料电池汽车外，其他车型补助标准适当退坡”，明确了国家对燃料电池汽车产业发展的支持态度。而《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》中提出，要系统推进燃料电池汽车研发与产业化，到2020年，实现燃料电池汽车批量生产和规模化示应用。在财政补贴层面，国家也给予了大力支持，包括整车补贴、加氢站补贴、免征购置税以及运营补贴等。其中，整车补贴额度从20万到50万每辆不等，一个加氢站则补贴400万元，运营补贴中，燃料电池客车补贴为6万元/辆/年。二、氢燃料电池产业链概述氢燃料电池汽车产业链包括制氢、储氢、运氢、加氢、应用（燃料电池汽车/有轨电车）等环节。氢气制造一般是通过将化石原料、化工原料、工业尾气、可再生能源以及水等经过处理来获取，每种获取途径其成本和环保属性都不同。中国目前主要通过工业尾气处理以及电解水来制氢。长河认为，对于燃料电池来说，现在配套基础设施还有待进一步完善，需要政府以及行业机构以及专家尽快推进立法和相应的技术标准予以规。

长河表示，制氢的方法和方案比较多，而目前燃料电池汽车使用最大瓶颈和最大的障碍是缺乏加氢站。据其统计，截止到2013年底，全球加氢站只有228座，对于我国来说，我国真正投入商业化、用于燃料电池的加氢站只有两座，仅仅限于国比较大的城市，就是和，处于示运营阶段，与国外说的氢高速公路，也就是一条高速公路有多个加氢站相比，差距比较大。在整个氢燃料电池产业链中，氢燃料电池发动机处于绝对的核心地位，氢燃料经过发动机转化为电能应用到终端。长河表示，目前制约中国燃料电池汽车发展的瓶颈，就是氢燃料电池发动机。虽然国有不少高校和相应科研机构以及企业，在就燃料电池发动机技术展开相应研究和示性运营应用，但是氢燃料电池发动机核心技术，这两年通过评估，能够达到产业化或者达到工业化应用的，核心技术仍然掌握在国外企业手中。

燃料电池的发展现状及研究进展

应用电化学论文作业题目燃料电池的发展现状及研究进展学院化学与化学工程学院专业班级制药134班姓名郭莹莹

摘要燃料电池是一种清洁高效的能源利用方式，它是一种能够持续将化学能转化为电能的能量转换装置。发展燃料电池对于改善环境和实现能源可持续发展有重要意义。本文介绍了燃料电池的工作原理、分类及燃料电池的优点，详细阐述了燃料电池现在的发展现状和未来研究前景的展望。关键词：燃料电池转换装置应用发展

1 燃料电池的工作原理及分类燃料电池( Fuel Cell，FC) 是把燃料中的化学能通过电化学反应直接转换为电能的发电装置。按电解质分类，燃料电池一般包括质子交换膜燃料电池( Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEM-FC) 、磷酸燃料电池( Phosphoric Acid Fuel Cell，PAFC) 、碱性燃料电池( Alkaline Fuel Cell，AFC) 、固体氧化物燃料电池( Solid Oxide Fuel Cell，SOFC) 及熔融碳酸盐燃料电池( Molten CarbonateFuel Cell，MCFC) 等。以质子交换膜燃料电池为例，主要部件包括: 膜电极组件( Membrane Elec-trode Assembly，MEA) 、双极板及密封元件等。膜电极组件是电化学反应的核心部件，由阴阳极多孔气体扩散电极和电解质隔膜组成。电解质隔膜两侧分别发生氢氧化反应与氧还原反应，电子通过外电路作功，反应产物为水。额定工作条件下，一节单电池工作电压仅为0．7 V 左右。为了满足一定应用背景的功率需求，燃料电池通常由数百个单电池串联形成燃料电池堆或模块。因此，与其它化学电源一样，燃料电池的均一性非常重要。燃料电池发电原理与原电池类似( 见图1) ，但与原电池和二次电池比较，需要具备一相对复杂的系统，通常包括燃料供应、氧化剂供应、水热管理及电控等子系统，其工作方式与内燃机类似。理论上只要外部不断供给燃料与氧化剂，燃料电池就可以续发电。图1 PEMFC 基本原理燃料电池从发明至今已经经历了100 多年的历程。于能源与环境已成为人

高2020届高2017级高三化学二轮复习小专题训练试题及参考答案新型燃料电池

2020届届届届届届届届届届届届届 ——届届届届届届 1.新型NaBH4/H2O2燃料电池(DBFC)的结构如图所示,该电池总反应方程式:NaBH4+4H2O2=NaBO2+6H2O,有关的说法不正确的是() A.电极B为正极 B.放电过程中,Na+从正极区向负极区迁移 C.电池负极的电极反应为:BH4?+8OH??8e?=BO2?+6H2O D.在电池反应中,每消耗1L 6mol/L H2O2溶液,理论上流过电路中的电子为12N A 2.一种新型燃料电池,一极通入空气,另一极通入丁烷气体；电解质是掺杂氧化钇(Y2O3)的氧化锆(ZrO2) 晶体,在熔融状态下能传导O2－。下列对该燃料电池的说法中正确的是() A.在熔融电解质中O2?由负极移向正极 B.电池的总反应是2C4H10+13O2===8CO2+10H2O C.通入空气的一极是正极,电极反应为:O2+4e?+2H2O===4OH? D.通入丁烷的一极是正极,电极反应为:C4H10?26e?+13O2?===4CO2+5H2O 3.某大学研制了一种新型的质子交换膜二甲醚燃料电池(DDFC),该电池有较高的安全性。电池总反应为:CH 3OCH3＋3O2＝2CO2＋3H2O ,电池示意如图,下列说法不正确的是( ) A.a极为电池的负极 B.电池工作时电流由b极沿导线经灯泡再到a极 C.电池正极的电极反应为:4H++O2+4e?=2H2O D.电池工作时,有0.6mol电子转移,生成的CO2体积为2.24L 4.一种新型熔融盐燃料电池具有高发电效率。现用Li2CO3和Na2CO3的熔融盐混合物作电解质,一极通入CO气体,另一极通入O2和CO2混合气体,其总反应为:2CO＋O2===2CO2 。则下列说法中正确的是() A.通CO的一极是电池的正极 B.负极发生的电极反应是:O2+2CO2+4e?===2CO32?

燃料电池的发展现状及研究进展

应用电化学论文作业题目燃料电池的发展现状及研究进展学院化学与化学工程学院专业班级制药134班姓名郭莹莹

摘要燃料电池是一种清洁高效的能源利用方式，它是一种能够持续将化学能转化为电能的能量转换装置。发展燃料电池对于改善环境和实现能源可持续发展有重要意义。本文介绍了燃料电池的工作原理、分类及燃料电池的优点，详细阐述了燃料电池现在的发展现状和未来研究前景的展望。关键词：燃料电池转换装置应用发展 1 燃料电池的工作原理及分类燃料电池( Fuel Cell，FC) 是把燃料中的化学能通过电化学反应直接转换为电能的发电装置。按电解质分类，燃料电池一般包括质子交换膜燃料电池( Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEM-FC) 、磷酸燃料电池( Phosphoric Acid Fuel Cell，PAFC) 、碱性燃料电池( Alkaline Fuel Cell，AFC) 、固体氧化物燃料电池 ( Solid Oxide Fuel Cell，SOFC) 及熔融碳酸盐燃料电池( Molten CarbonateFuel Cell，MCFC) 等。以质子交换膜燃料电池为例，主要部件包括: 膜电极组件( Membrane Elec-trode Assembly， MEA) 、双极板及密封元件等。膜电极组件是电化学反应的核心部件，由阴阳极多孔气体扩散电极和电解质隔膜组成。电解质隔膜两侧分别发生氢氧化反应与氧还原反应，电子通过外电路作功，反应产物为水。额定工作条件下，一节单电池工作电压仅为0．7 V 左右。为了满足一定应用背景的功率需求，燃料电池通常由数百个单电池串联形成燃料电池堆或模块。因此，与其它化学电源一样，燃料电池的均一性非常重要。燃料电池发电原理与原电池类似( 见图1) ，但与原电池和二次电池比较，需要具备一相对复杂的系统，通常包括燃料供应、氧化剂供应、水热管理及电控等子系统，其工作方式与内燃机类似。理论上只要外部不断供给燃料与氧化剂，燃料电池就可以续发电。图1 PEMFC 基本原理燃料电池从发明至今已经经历了 100 多年的历程。于能源与环境已成为人类社会赖以生存的重点问题。近20 年以来，燃料电池这种高效、洁净的能量转化装置得到了各国政府、开发商及研究机构的普遍重视。燃料电池在交通运输、便携式电源、分散电站、航空及水下潜器等民用与军用领域展现出广阔的应用前景。目前，燃料电池汽车、电站及便携式电源等均处于示范阶段，在商

质子交换膜燃料电池的应用与发展

质子交换膜燃料电池的应用与发展林圣享学号：405932016118 动力工程及工程热物理2016级研究生（南昌大学机电工程学院，南昌330031）摘要：燃料电池是一种将化学能通过化学反应直接转化成电能的装置。质子交换膜燃料电池作为新一代发电技术，以其特有的高效率和环保性引起了全世界的关注，极具开发和利用价值。随着质子交换膜燃料电池技术的不断提高和成本的逐步降低，其在市场上将逐步获得应用。该文分析了质子交换膜燃料电池的结构和工作原理，对比了各种燃料电池基本属性，阐述了燃料电池当前发展的状态, 探究了其较高的利用效率又不污染环境的能源利用方式对当前能源紧缺和环境污染严重的形势下，进一步明确了质子交换膜燃料电池发展的广阔前景，其作为能源利用的一次变革，必将在宇航、交通以及国防军事等领域发挥的巨大推动作用。关键词：质子交换膜；燃料电池；利用效率 Application and Development of Proton Exchange Membrane Fuel Cell Abstract：A fuel cell is a device that converts chemical energy directly into electrical energy by chemical reactions. Proton exchange membrane fuel cell as a new generation of power generation technology, with its unique high efficiency and environmental protection has aroused the concern of the world, great development and use value. With the proton exchange membrane fuel cell technology continues to improve and gradually reduce the cost of its market will gradually gain application. This paper analyzes the structure and working principle of proton exchange membrane fuel cell, compares the basic properties of various fuel cells, expounds the current development of fuel cell, explores its high efficiency and does not pollute the environment. The current energy shortage and serious environmental pollution situation, to further clarify the proton exchange membrane fuel cell development prospects, as a change in energy use, will be in the aerospace, transportation and defense and other fields play a huge role in promoting. Key words：proton exchange membrane；fuel cell；utilization efficiency 引言燃料电池（Fuel Cell）是一种高效、环境友好的新能源发电装置，能将燃料的化学能通过电化学反应直接转化为电能。在工作原理和方式上，燃料电池与普通电池存在差别：燃料电池的正、负极本身不包含活性物质，只是电催化和集流的转换元件，也是电化学反应的场所。燃料电池是开放体系，活性物质储存在电池之外，只要不断地供给燃料和氧化剂就能连续发电，因而容量很大。同时，燃料电池还是一个复杂的系统，一般由燃料和氧化剂供应系统、水热管理系统以及控制系统等多个子系统组成。而普通电池是简单的封闭体系，放电容量有限，活性物质一旦消耗光，电池寿命即告终止，或者必须充电后才能再次使用[1]。燃料电池是一种将氢燃料和氧化剂之间的化学能通过电极反应直接转化成电能的装置[2]。它从外表上看有正负极和电解质等，像一个蓄电池，但实质上它不能"储电"而是一个" 发电厂"，被誉为是一种继水力、火力、核电之后的第四代发电技术，也正在美、日等发达国家崛起，以急起直追的势头快步进入能以工业规模发电的行列。燃料电池具有高能量转换效率、低温快速启动、低热辐射和低排放、运行噪声低和适应不同功率要求，具有非常好

燃料电池在我国的发展现状与未来前景

燃料电池在我国的发展现状与未来前景 ——高二化学研究性学习说起燃料电池，我首先想到氢燃料电池。 2015年将是国际氢燃料电池车产业化的时间节点，奔驰、通用、丰田、现代等8大汽车公司届时都将推出商用车，售价5万美元/辆。在家用发电方面，日本2009年5月宣布1千瓦家用燃料电池进入商业化阶段，至今已销售6000余台。而在我国，虽然距2015年只有2年，但还未形成氢能利用的国家规划。实际上，在国家财政部、科技部2009年公布的新能源公共服务用车补贴标准中曾提出“燃料电池轿车补贴25万元/辆，公共汽车补贴60万元/辆”的政策。但至今有价无市，无用武之地，氢能到底是不是离我们很远的“未来技术”? 近几年我国燃料电池的研究开发取得了进展，特别在质子交换膜燃料电池方面，达到或接近了世界水平；在熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池技术等方面也取得一些进展。但在总体上，我国燃料电池仍处于科研阶段，与国外相比，水平较低。发达国家都已将大型燃料电池的开发作为重点研究项目，并取得了许多重要成果，各等级的燃料电池发电厂相继建成，即将取代传统发电机及内燃机而广泛应用于发电及汽车动力。我国应集中研究力量，加大投入，大力推动燃料电池发电技术的研究开发和应用工作。燃料电池是一种不经过燃烧而以电化学反应方式将燃料的化学能直接变为电能的发电装置，可以用天然气、石油液化气、煤气等作为燃料。也是煤炭洁净转化技术之一。按电解质种类可分为碱性燃料电池（AFC）、磷酸型燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）、质子交换膜燃料电池（PEMFC）、再生氢氧燃料电池(RFC)、直接醇类燃料电池（DMFC），还有如新型储能电池、固体聚合物型电池等。氢和氧气是燃料电池常用的燃料气和氧化剂。此外，CO等一些气体也可作为MCFC与SOFC 的燃料。从长远发展看，高温型MCFC和SOFC系统是利用煤炭资源进行高效、清洁发电的有效途径。我国丰富的煤炭资源是燃料电池所需燃料的巨大来源。燃料电池具有高效率、无污染、建设周期短、易维护以及成本低的诱人特点，它不仅是汽车最有前途的替代清洁能源，还能广泛用于航天飞机、潜艇、水下机器人、通讯系统、中小规模电站、家用电源，又非常适合提供移动、分散电源和接近终端用户的电力供给，还能解决电网调峰问题。随着燃料电池的商业化推广，市场前景十分广阔。人们预测，燃料电

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高2020届高2017级高三化学二轮复习小专题训练试题及参考答案新型燃料电池

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