3.1燃料电池电动汽车一、燃料电池
教学
目标
能够描述燃料电池的分类方法。
能够阐述燃料电池的基本类型。
能够阐述燃料电池的特点。
教学重点
和难点
重点
燃料电池的基本类型。
难点
然料电池的特点。
教学流程
教学过程
备注
新课引入
大家好，今天我们将要探索一种高效、环保的能源转换技术——燃料电池。
教学内容
教学内容
教学内容
一、燃料电池
1.燃料电池的定义
燃料电池是将燃料发生电化学反应时产生的能量转化为电能对外输出的装置。其基本工作原理如图3-1所示。
燃料电池是继火电、水电、核电之后的第四种发电方式。从表面上看，燃料电池与蓄电池一样，有正、负极和电解质等，都能输出电能，但燃料电池不能通过充电的方法储存电能，燃料电池本质上就是一个电化学反应器，其在反应过程中需要一直消耗燃料和空气。
2.燃料电池的类型
燃料电池按照不同的分类方式，可以分为不同的类型。
按其工作温度分按燃料电池工作温度的不同，可分为低温、中温和高温三种。
1）低温燃料电池的工作温度要低于200°C，电解质采用水溶液，但需要金属铂作为催化剂才能达到工作所需的高电压及高电流密度，该电池所采用的燃料一般为氢气或纯化后的含氢燃料。代表电池有碱性燃料电池、质子交换膜燃料电池。
2）中温燃料电池的工作温度为200~750°C。中温燃料电池结合了高温燃料电池和低温燃料电池的优点，同时去掉了它们的部分缺点。工作温度在200~750°C的中温燃料电池能够提高贵金属催化剂的一氧化碳耐受能力，从而使得金属和合成树脂等材料有可能作为电池的连接和密封材料，这样可以降低燃料电池的成本，还可以延长燃料电池的使用寿命。代表电池有磷酸燃料电池。
3）高温燃料电池的工作温度要大于750°C。燃料电池需要用熔融盐或固体氧化物作为电解质，高温燃料电池能在不使用特殊催化剂的情况下达到一定的高电压及高电流密度。高温燃料电池的燃料选择多样，除氢气外，还可采用天然气、甲烷、沼气等作为燃料。代表电池有熔融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池。
1）直接式燃料电池的燃料主要是液态或气态的纯氢气，这样可以不用再利用汽化去产生氢气，但还是需要铂、金、银等贵重金属作为催化剂。直接式甲醇燃料电池也不用预先进行重整，直接就可以将甲醇在正极处转化成二氧化碳和氢气，但缺点在于需要比使用纯氢燃料消耗更多的铂催化剂。
2）间接式燃料电池主要是将天然气、甲烷、汽油、LPG、二甲醚等作为燃料，经过重整和纯化后转换为氢或含氢燃料再提供给燃料电池进行转化。
3）再生式燃料电池可以把燃料电池反应生成的水经合理的方法重新分解成氢,再循环输送给燃料电池进行发电。
（3）按燃料电池采用的电解质分根据燃料电池所使用的电解质的不同，可将其分为质子交换膜燃料电池、碱性燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固态氧化物燃料电池等。
1）质子交换膜燃料电池使用质子交换膜作为电解质，其工作温度大约在80℃。在这样的低温下运行，需要利用电极上的一层铂来进行催化，这样才能够确保电化学反应可以正常进行。质子交换膜燃料电池内唯一的液体为水，因此耐腐蚀性能好，电池的使用寿命较长。质子交换膜燃料电池即使在低温状态下也能够在短时间内启动，并且可以在短时间内就达到满载运行，电流的密度和功率的密度比较高，发电效率可以达到50%，运行较为可靠，是目前电动汽车动力电源的不错之选。质子交换膜燃料电池也可用来代替移动电源、小型发电装置、便携款电器的电源等作为使用。
2）碱性燃料电池利用石棉网作为电解质的承载物件，将氢氧化钾水溶液作为电解质，工作温度一般在高温(约为200℃)时会使用质量分数较高的氢化钾作电解质，在温度较低时(小于120℃)时则采用质量分数较低的氢化钾作电解质。碱性燃料电池工作时需要以纯氢气当电池阳极的燃料气体，用纯氧为电池阴极上氧化剂，用金、银等贵重金属或者是其它的过渡金属作为催化剂。
碱性燃料电池的电解质腐蚀性较强，因而其使用寿命较短。与其他燃料电池相比，碱性燃料电池的优点是起动时间短，功率密度高，性能可靠，是目前技术水平比较成熟的燃料电池之一。碱性燃料电池还涉及到航天、军事、发电等领域的应用。
3）磷酸燃料电池所采用的电解质为磷酸水溶液，电池工作温度在150~200℃之间，其电极跟质子交换膜电池一样也需要用铂作为催化剂来加速反应。在低温时，其电池发电效率只能达到45%，燃料方面需要进行重整改质，改质后燃料中CO的体积分数必须小于0.5%。由于磷酸作为电解质具有一定的腐蚀作用，使磷酸燃料电池的使用寿命较低。