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第1章 燃料电池基础1

1.0 引言1

1.1 什么是燃料电池2

1.1.1 与普通电池的比较3

1.1.2 与热机的比较4

1.2 为什么需要燃料电池4

1.2.1 便携式设备5

1.2.2 移动式设备5

1.2.3 固定式设备6

1.3 燃料电池的历史6

1.3.1 质子交换膜燃料电池8

1.3.2 固体氧化物燃料电池8

1.3.3 熔融碳酸盐燃料电池8

1.3.4 磷酸燃料电池9

1.3.5 碱性燃料电池9

1.4 燃料电池如何工作10

1.5 本章小结11

1.6 思考题11

1.7 参考文献11

第2章 燃料电池与氢经济12

2.0 引言12

2.1 氢的特性12

2.1.1 概述12

2.1.2 氢作为燃料的安全性问题13

2.2 世界能源需求15

2.3 氢经济的发展16

2.4 氢的制造、运送和储存17

2.4.1 氢制造技术17

2.4.2 氢储存技术18

2.4.3 全球氢加注站19

2.5 氢基础设施方面的投资20

2.5.1 政府支持21

2.5.2 氢应用的长期计划22

2.5.3 氢研发方面的主要参与者22

2.6 本章小结26

2.7 思考题26

2.8 参考文献26

第3章 燃料电池类型28

3.0 引言28

3.1 聚合物电解质膜燃料电池（PEMFC）30

3.2 碱性燃料电池（AFC）31

3.3 磷酸燃料电池（PAFC）32

3.4 固体氧化物燃料电池（SOFC）32

3.5 熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）34

3.6 直接甲醇燃料电池（DMFC）35

3.7 锌空气燃料电池（ZAFC）36

3.8 质子陶瓷燃料电池（PCFC）38

3.9 生物燃料电池（BFC）38

3.10 本章小结40

3.11 思考题40

3.12 参考文献41

第4章 燃料电池应用42

4.0 引言42

4.1 便携式电源42

4.2 备用式电源43

4.2.1 概述43

4.2.2 基本的电解槽计算公式44

4.3 移动式电源45

4.3.1 汽车46

4.3.2 大巴51

4.3.3 实用运载工具53

4.3.4 踏板车与自行车55

4.4 固定式电源56

4.5 本章小结62

4.6 思考题62

4.7 参考文献63

第5章 燃料电池热力学基础64

5.0 引言64

5.1 热力学基本概念64

5.2 燃料电池可逆和净输出电压68

5.3 燃料电池理论效率73

5.3.1 概述73

5.3.2 能量效率74

5.4 燃料电池温度75

5.5 燃料电池压强76

5.6 本章小结78

5.7 思考题78

5.8 参考文献78

第6章 燃料电池电化学基础80

6.0 引言80

6.1 电极动力学82

6.2 电压损失84

6.3 内部电流和交叉电流88

6.4 提高动力性能88

6.5 本章小结89

6.6 思考题89

6.7 参考文献90

第7章 燃料电池电荷传输91

7.0 引言91

7.1 因电荷传输而引起的电压损失91

7.2 金属的微传导性95

7.3 水性电解质的离子传导性95

7.4 聚合物电解质的离子传导性96

7.5 陶瓷电解质的离子传导性98

7.6 本章小结99

7.7 思考题99

7.8 参考文献100

第8章 燃料电池质量传输101

8.0 引言101

8.1 从流道到电极的对流性质量传输101

8.2 燃料电池电极中的扩散性质量传输102

8.3 流结构中的对流性质量传输105

8.3.1 流道中的质量传输106

8.3.2 流道中的压降109

8.4 本章小结114

8.5 思考题114

8.6 参考文献114

第9章 燃料电池热传输116

9.0 引言116

9.1 燃料电池能量平衡117

9.1.1 总的能量平衡过程117

9.1.2 燃料电池堆的能量平衡118

9.1.3 燃料电池总的能量平衡118

9.1.4 燃料电池组成部件和气体的能量平衡119

9.2 燃料电池各层中产生的热和流量121

9.3 热传导122

9.4 通过自然对流和辐射散热123

9.5 燃料电池热管理123

9.5.1 热交换器模型125

9.5.2 空气冷却126

9.5.3 边缘冷却129

9.6 本章小结129

9.7 思考题130

9.8 参考文献130

第10章 燃料电池建模132

10.0 引言132

10.1 质量守恒134

10.2 动量守恒134

10.3 能量守恒135

10.4 物质守恒136

10.5 电荷守恒137

10.6 电极137

10.6.1 质量传输138

10.6.2 电化学行为139

10.6.3 离子／电子传输141

10.6.4 电极中的热传输142

10.7 电解质142

10.8 本章小结143

10.9 思考题144

10.10 参考文献144

第11章 燃料电池材料146

11.0 引言146

11.1 电解质层147

11.1.1 PEMFC和DMFC148

11.1.2 PAFC150

11.1.3 AFC151

11.1.4 MCFC151

11.1.5 SOFC152

11.2 燃料电池电极层153

11.2.1 PEMFC,DMFC和PAFC催化剂154

11.2.2 PEMFC,DMFC和PAFC气体扩散层157

11.2.3 AFC电极158

11.2.4 MCFC电极159

11.2.5 SOFC电极160

11.3 低温燃料电池处理技术160

11.4 SOFC制造方法162

11.5 燃料电池制造方法163

11.5.1 制备聚合物电解质膜164

11.5.2 催化剂／电极层材料164

11.5.3 热压MEA165

11.6 本章小结166

11.7 思考题166

11.8 参考文献166

第12章 燃料电池堆组成部件与材料170

12.0 引言170

12.1 双极板171

12.1.1 中低温燃料电池的双极板材料171

12.1.2 涂层金属板172

12.1.3 复合板174

12.2 流场设计174

12.3 SOFC材料178

12.4 MCFC材料179

12.5 PAFC材料与设计180

12.6 流道形状、尺寸和间隔180

12.7 双极板制造180

12.7.1 无孔石墨板制作181

12.7.2 涂层金属板制作181

12.7.3 复合板制作181

12.8 垫片和隔板182

12.8.1 PEMFC/DMFC/AFC182

12.8.2 SOFC封装183

12.9 端板184

12.10 构建燃料电池双极板、垫片、端板和集流器185

12.10.1 双极板设计186

12.10.2 垫片选择186

12.10.3 端板186

12.10.4 集流器188

12.11 本章小结188

12.12 思考题188

12.13 参考文献189

第13章 燃料电池堆设计191

13.0 引言191

13.1 燃料电池堆大小191

13.2 电池数197

13.3 堆配置198

13.4 向电池分配燃料和氧化剂202

13.5 电池互连203

13.5.1 SOFC204

13.5.2 AFC204

13.6 堆夹具205

13.7 PEMFC的水管理205

13.7.1 概述205

13.7.2 水管理方法206

13.8 燃料电池堆装配207

13.9 本章小结207

13.10 思考题208

13.11 参考文献209

第14章 燃料电池系统设计213

14.0 引言213

14.1 燃料子系统215

14.1.1 加湿系统215

14.1.2 鼓风机和风机219

14.1.3 压缩机222

14.1.4 涡轮机226

14.1.5 燃料电池泵227

14.2 电子系统231

14.2.1 功率二极管233

14.2.2 开关器件233

14.2.3 开关调节器234

14.2.4 逆变器237

14.2.5 超级电容器238

14.2.6 手机电源电子装置239

14.2.7 汽车用DC-DC转换器240

14.2.8 大型应用中的多电平转换器240

14.3 燃料电池混合电源系统241

14.4 系统效率241

14.5 本章小结243

14.6 思考题243

14.7 参考文献243

第15章 燃料类型、运输与处理245

15.0 引言245

15.1 氢246

15.1.1 气体246

15.1.2 液态250

15.1.3 碳纳米纤维250

15.2 其他常用燃料类型253

15.2.1 甲醇253

15.2.2 乙醇254

15.2.3 金属氢化物254

15.2.4 化学氢化物256

15.2.5 氨259

15.2.6 天然气260

15.2.7 丙烷260

15.2.8 汽油和其他基于石油的燃料260

15.2.9 生物燃料261

15.3 燃料处理261

15.3.1 脱硫263

15.3.2 蒸气重整263

15.3.3 碳的形成265

15.3.4 内部重整265

15.3.5 直接碳氢化合物氧化266

15.3.6 部分氧化267

15.3.7 高温分解268

15.3.8 甲醇重整268

15.4 生物制氢269

15.4.1 光合作用269

15.4.2 细菌分解过程270

15.5 电解槽270

15.5.1 电解槽效率272

15.5.2 电解槽中的高压272

15.6 本章小结273

15.7 思考题273

15.8 参考文献273

第16章 燃料电池工作条件277

16.0 引言277

16.1 工作压强277

16.2 工作温度279

16.3 反应物流速280

16.4 反应物湿度283

16.5 燃料电池质量平衡284

16.6 本章小结290

16.7 思考题290

16.8 参考文献291

第17章 燃料电池表征294

17.0 引言294

17.1 燃料电池测试设备294

17.2 测试装置的验证295

17.3 燃料电池状态调整296

17.4 基本测试条件和工作参数297

17.4.1 温度297

17.4.2 压强298

17.4.3 流速298

17.4.4 压缩力298

17.5 极化曲线298

17.6 燃料电池电阻300

17.6.1 电流中断法300

17.6.2 交流阻抗法301

17.6.3 高频阻抗法（HFR）301

17.6.4 电化学阻抗波谱法（EIS）301

17.6.5 化学计量搜索法303

17.6.6 极限电流法304

17.6.7 循环伏安法304

17.7 电流密度图305

17.8 中子成像305

17.9 燃料电池层表征306

17.9.1 多孔性判定306

17.9.2 BET表面积判定306

17.9.3 透射电子显微镜（TEM）307

17.9.4 扫描电子显微镜（SEM）307

17.9.5 X射线衍射（XRD）307

17.9.6 能谱分析（EDS）307

17.9.7 X射线荧光（XRF）307

17.9.8 电感耦合等离子体质谱分析（ICP-MS）308

17.10 本章小结308

17.11 思考题308

17.12 参考文献309

附录A 常数与换算310

附录B 所选物质的热力学特性311

附录C 所选物质的分子质量、气体常数与比热312

附录D 不同温度下的气体比热313

附录E 不同温度下饱和液态水的比热314

附录F 不同温度下所选燃料电池反应物的热力学数据315

附录G 所选燃料电池物质的二元扩散系数322

附录H 产品设计规范323

附录I 燃料电池设计要求与参数324

索引328