近年來隨著能源短缺和環(huán)境惡化日益嚴重，燃料電池作為一種高效潔凈的發(fā)電裝置，其技術的發(fā)展引起了各國政府、企業(yè)、科研機構(gòu)及高等院校的高度重視。燃料電池被看做是繼火力發(fā)電、水力發(fā)電與核電之后的第四種發(fā)電方式。燃料電池技術被認為是21世紀首選的潔凈高效的發(fā)電技術，美國把燃料電池列為僅次于基因重組計劃和超級材料之后的第三項尖端技術。燃料電池技術的研發(fā)近年來取得了長足的進步，小到幾瓦大到兆瓦級的燃料電池系統(tǒng)相繼研究成功，并應用于發(fā)電站、交通運輸工具和便攜式電子設備等。另外，航天航空器、水潛艇和水下機器人等高科技領域也可看到燃料電池應用的例子，以氫為燃料的零排放燃料電池汽車更是人類追求的理想交通工具。燃料電池還特別適于建設分電站，可以解決目前集中式電網(wǎng)輸電出現(xiàn)故障或遭到破壞時造成大面積癱瘓的問題。這一點對國防安全和反恐是十分重要的。
燃料電池的進一步發(fā)展需要更多年輕科技工作者的參與。因此，高等院校有必要設置有關燃料電池的課程，開展系統(tǒng)的教育，培養(yǎng)相關的研究人才。本書將面向高年級大學生和研究生教育，可作為教材或教學參考書，也可供從事燃料電池研發(fā)的科技工作者參閱。目前，燃料電池技術仍處于發(fā)展階段，相關知識在不斷更新。近年來現(xiàn)出了一些新型燃料電池，有關這方面內(nèi)容的書籍較少，讓學生們了解這些最新的發(fā)展是本書的編寫出發(fā)點之一。
本書分為四個部分，共13章。第一部分（第1~2章）介紹了燃料電池的基本原理及其熱力學和動力學知識；第二部分（第3~8章）分別針對目前常見的6種類型的燃料電池進行了系統(tǒng)的闡述，重點在電池的結(jié)構(gòu)、關鍵材料及其發(fā)展現(xiàn)狀與應用情況；第三部分（第9~12章）介紹了4種特殊類型的、目前處于活躍研究階段的燃料電池，包括金屬半燃料電池、直接碳然料電池、直接硼氫化物燃料電池和生物燃料電池；第四部分（第13章）討論了作為燃料電池燃料的氫氣的制備及儲存。另外，每章后附有問題與討論，可用于檢查對本章知識的學習掌握情況。
本書的編寫力求嚴謹、規(guī)范，敘述力求準確、精煉，內(nèi)容力求系統(tǒng)、全面，使用的資料力求新穎。在闡述燃料電池的電化學原理和關鍵材料的基礎
上，也介紹了燃料電池技術的一些最新成果。
本書由曹殿學編寫了第1、第2、第9和第10章；王貴領編寫了第7、第8（其中8.2.6和8.6由趙輝編寫）和第11章；呂艷卓編寫了第3~6章；溫青編寫了第12章；張森編寫了第13章。全書由曹殿學統(tǒng)稿。
本書在編寫過程中得到了中國科學院長春應用化學研究所陸天虹研究員和黑龍江大學趙輝教授的大力幫助，陸天虹研究員為直接甲醇燃料電池一章的編寫提供了很多資料，趙輝教授對固體氧化物燃料電池一章做出了很多修改和補充。二人仔細審閱了全書并提出了寶貴意見。編者還參考了國內(nèi)外有關燃料電池的著作和大量研究論文，在此一并表示衷心感謝。
由于編著者學識和能力有限，書中疏漏和錯誤之處，敬請讀者批評指正，編著者表示由衷感謝。
第1章 燃料電池概述1
1.1 燃料電池的歷史回顧1
1.1.1 燃料電池的定義1
1.1.2 燃料電池的誕生及發(fā)展歷程簡介2
1.2 燃料電池基礎6
1.2.1 燃料電池的工作原理6
1.2.2 燃料電池的特點8
1.2.3 燃料電池的種類9
1.3 燃料電池系統(tǒng)16
1.3.1 燃料電池堆16
1.3.2 熱管理系統(tǒng)18
1.3.3 電力調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)換系統(tǒng)18
1.3.4 控制系統(tǒng)19
1.4 燃料電池的應用20
1.4.1 固定發(fā)電站21
1.4.2 運輸工具動力25
1.4.3 便攜式電源29
1.5 能源、環(huán)境與燃料電池31
1.5.1 能源的概況31
1.5.2 化石能源的短缺和環(huán)境污染問題32
1.5.3 氫能與燃料電池33
問題與討論34
第2章 燃料電池的熱力學和動力學35
2.1 燃料電池的熱力學35
2.1.1 理論效率的計算35
2.1.2 電池電動勢與溫度的關系38
2.1.3 電池電動勢與壓力的關系39
2.2 電極過程動力學41
2.2.1 極化與過電勢42
2.2.2 活化過電勢43
2.2.3 濃差過電勢46
2.2.4 歐姆過電勢48
2.2.5 燃料電池的極化曲線48
2.3 燃料電池效率50
2.3.1 燃料電池的實際效率50
2.3.2 燃料電池系統(tǒng)的實際效率51
問題與討論52
第3章 質(zhì)子交換膜燃料電池54
3.1 發(fā)展簡史54
3.2 工作原理59
3.3 特點61
3.4 膜電極組件61
3.5 電極催化劑62
3.5.1 對催化劑的要求62
3.5.2 催化劑的選擇63
3.5.3 催化劑的制備65
3.5.4 催化劑的結(jié)構(gòu)和表征67
3.6 電極的結(jié)構(gòu)68
3.6.1 電極的種類、組成和制備方法68
3.6.2 擴散層68
3.6.3 催化層的制備72
3.7 質(zhì)子交換膜77
3.7.1 質(zhì)子交換膜的功能77
3.7.2 Nafion膜的性能78
3.7.3 Nafion膜的問題80
3.7.4 Nafion膜的改進80
3.8 雙極板和流場84
3.8.1 雙極板的功能和要求85
3.8.2 雙極板的材料86
3.8.3 流場98
3.9 電池組系統(tǒng)100
3.9.1 氫源100
3.9.2 氧源101
3.9.3 電池組的水管理101
3.9.4 電池組的熱管理102
3.10 PEMFC商業(yè)化的問題103
問題與討論104
第4章 直接醇類燃料電池106
4.1 直接醇類燃料電池的基本概念106
4.1.1 工作原理106
4.1.2 基本結(jié)構(gòu)107
4.1.3 優(yōu)點110
4.2 直接甲醇燃料電池的研發(fā)概況111
4.2.1 受到重視的原因111
4.2.2 發(fā)展概況111
4.3 直接甲醇燃料電池性能的改進114
4.3.1 陽極催化劑性能的改進114
4.3.2 陰極催化劑性能的改進127
4.3.3 質(zhì)子交換膜140
4.4 甲醇替代燃料的研究141
4.4.1 研究甲醇替代燃料的原因141
4.4.2 直接甲酸燃料電池142
4.4.3 直接乙醇燃料電池144
4.5 直接醇類燃料電池的商業(yè)化前景147
問題與討論148
第5章 堿性燃料電池149
5.1 工作原理149
5.2 優(yōu)缺點151
5.2.1 優(yōu)點151
5.2.2 缺點152
5.3 基本結(jié)構(gòu)152
5.3.1 燃料和氧化劑152
5.3.2 電極153
5.3.3 催化劑中毒的原因及預防辦法163
5.3.4 電極結(jié)構(gòu)及制備165
5.4 電解質(zhì)168
5.4.1 電解質(zhì)材料168
5.4.2 電解質(zhì)使用方法168
5.5 工作條件172
5.5.1 工作壓力172
5.5.2 工作溫度172
5.5.3 氧化劑的影響173
5.5.4 排水173
5.5.5 排熱174
5.5.6 電池壽命174
5.6 研發(fā)和應用概況174
5.6.1 空間應用領域174
5.6.2 地面應用領域175
問題與討論177
第6章 磷酸燃料電池178
6.1 工作原理178
6.2 基本結(jié)構(gòu)180
6.2.1 電池系統(tǒng)180
6.2.2 單體電池181
6.3 工作條件對其性能的影響191
6.3.1 工作溫度的影響191
6.3.2 反應氣壓力的影響193
6.3.3 燃料氣中雜質(zhì)的影響194
6.3.4 影響壽命的因素及改進方法198
6.4 發(fā)展概況199
6.4.1 發(fā)展原因199
6.4.2 磷酸燃料電池電站的發(fā)展概況199
6.4.3 電動車用磷酸燃料電池的發(fā)展概況200
6.5 商業(yè)化的展望200
6.5.1 降低成本200
6.5.2 提高使用壽命202
6.5.3 縮短啟動時間202
6.5.4 提高催化劑性能202
問題與討論203
第7章 熔融碳酸鹽燃料電池204
7.1 熔融碳酸鹽燃料電池的工作原理205
7.2 熔融碳酸鹽燃料電池的隔膜材料206
7.2.1 隔膜材料的性能206
7.2.2 隔膜材料的制備208
7.2.3 熔融碳酸鹽燃料電池的電解質(zhì)208
7.3熔融碳酸鹽燃料電池的電極材料209
7.3.1 陽極材料209
7.3.2 陰極材料210
7.4 熔融碳酸鹽燃料電池的結(jié)構(gòu)212
7.5 操作條件對熔融碳酸鹽燃料電池性能的影響215
7.5.1 壓力的影響216
7.5.2 溫度的影響216
7.5.3 反應氣體組成及利用率對電池性能的影響218
7.5.4 燃料中雜質(zhì)的影響219
7.5.5 電流密度和運行時間的影響220
7.6 熔融碳酸鹽燃料電池的應用與發(fā)展現(xiàn)狀221
7.6.1 熔融碳酸鹽燃料電池的應用221
7.6.2 熔融碳酸鹽燃料電池的發(fā)展現(xiàn)狀221
7.6.3 熔融碳酸鹽燃料電池商業(yè)化的障礙224
問題與討論224
第8章 固體氧化物燃料電池225
8.1 固體氧化物燃料電池的工作原理226
8.2 固體氧化物燃料電池的電解質(zhì)材料229
8.2.1 氧化鋯基(ZrO2)電解質(zhì)230
8.2.2 氧化鈰基(CeO2)電解質(zhì)234
8.2.3 氧化鉍基(Bi2O3)電解質(zhì)236
8.2.4 鈣鈦礦基(LaGaO3)電解質(zhì)239
8.2.5 六方磷灰石基\[M10(TO4)6O2\]電解質(zhì)241
8.2.6 鈣鐵石結(jié)構(gòu)(A2B2O5)電解質(zhì)244
8.2.7 質(zhì)子傳導電解質(zhì)247
8.3 固體氧化物燃料電池的電極材料250
8.3.1 陽極材料250
8.3.2 陰極材料254
8.4 連接材料和密封材料259
8.4.1 連接材料259
8.4.2 密封材料260
8.5 固體氧化物燃料電池的結(jié)構(gòu)與組成261
8.5.1 管式結(jié)構(gòu)SOFC262
8.5.2 平板式結(jié)構(gòu)SOFC263
8.6 單室固體氧化物燃料電池264
8.6.1 單室固體氧化物燃料電池的特點265
8.6.2 單室固體氧化物燃料電池的結(jié)構(gòu)與組成265
8.6.3 單室固體氧化物燃料電池的工作原理265
8.6.4 單室固體氧化物燃料電池的研究現(xiàn)狀266
8.7 固體氧化物燃料電池的發(fā)展現(xiàn)狀與應用270
8.7.1 固體氧化物燃料電池的發(fā)展現(xiàn)狀270
8.7.2 固體氧化物燃料電池的應用272
問題與討論273
第9章 金屬半燃料電池274
9.1 概述274
9.1.1 金屬半燃料電池的工作原理274
9.1.2 金屬半燃料電池的特點275
9.1.3 金屬半燃料電池的分類276
9.1.4 金屬半燃料電池的應用277
9.2 金屬半燃料電池陽極材料278
9.2.1 鋅陽極278
9.2.2 鋁陽極281
9.2.3 鎂陽極284
9.3 金屬半燃料電池的結(jié)構(gòu)與性能287
9.3.1 金屬空氣半燃料電池287
9.3.2 金屬過氧化氫半燃料電池293
9.3.3 金屬海水中溶解氧半燃料電池301
問題與討論304
第10章 直接碳燃料電池305
10.1 直接碳燃料電池的工作原理與電池結(jié)構(gòu)305
10.2 直接碳燃料電池的特點306
10.3 碳的直接電化學氧化反應308
10.3.1 碳電化學氧化反應機理308
10.3.2 碳電化學氧化產(chǎn)物309
10.4 直接碳燃料電池的歷史沿革313
10.5 直接碳燃料電池的研究現(xiàn)狀314
10.5.1 以熔融碳酸鹽為電解質(zhì)直接碳燃料電池314
10.5.2 以熔融堿金屬氫氧化物為電解質(zhì)的直接碳燃料電池316
10.5.3 以固體氧化物為電解質(zhì)的直接碳燃料電池318
10.5.4 采用固體氧化物和熔融碳酸鹽雙重電解質(zhì)的雜化型直接碳燃料電池320
10.6 直接碳燃料電池的問題與展望321
問題與討論323
第11章 直接硼氫化物燃料電池324
11.1 直接硼氫化物燃料電池的原理325
11.2 直接硼氫化物燃料電池的陽極催化劑328
11.2.1 硼氫化物的電氧化與水解328
11.2.2 金屬催化劑330
11.2.3 儲氫合金催化劑331
11.3 直接硼氫化物燃料電池的陰極催化劑332
11.4 直接硼氫化物燃料電池的結(jié)構(gòu)333
11.5 直接硼氫化物燃料電池的應用與發(fā)展現(xiàn)狀336
11.5.1 直接硼氫化物燃料電池的應用336
11.5.2 直接硼氫化物燃料電池與其他直接液體燃料電池的比較337
11.5.3 直接硼氫化物燃料電池的發(fā)展現(xiàn)狀338
11.5.4 直接硼氫化物燃料電池面臨的問題342
問題與討論342
第12章 生物燃料電池343
12.1 生物燃料電池的概述343
12.1.1 生物燃料電池的工作原理343
12.1.2 生物燃料電池的特點343
12.1.3 生物燃料電池的分類344
12.2 微生物燃料電池345
12.2.1 微生物燃料電池的工作原理345
12.2.2 電子的傳遞方式346
12.2.3 產(chǎn)電微生物348
12.2.4 微生物燃料電池的電極349
12.2.5 陰極電子受體和催化劑350
12.2.6 隔膜和陽極燃料351
12.2.7 微生物燃料電池的結(jié)構(gòu)352
12.2.8 影響微生物燃料電池性能的因素353
12.3 酶生物燃料電池355
12.3.1 酶的類型和電子傳遞方式355
12.3.2 酶生物燃料電池的類型355
12.4 生物燃料電池的發(fā)展與應用359
12.4.1 生物燃料電池的發(fā)展359
12.4.2 生物燃料電池的應用前景359
問題與討論362
第13章 氫氣的制備及儲存363
13.1 氫氣的制備363
13.1.1 水蒸氣重整制氫363
13.1.2 不完全氧化制氫365
13.1.3 等離子體熱裂解制氫366
13.1.4 煤氣化制氫367
13.1.5 甲醇制氫368
13.1.6 電解水制氫369
13.1.7 熱化學循環(huán)分解水制氫370
13.1.8 光催化分解水制氫371
13.1.9 生物制氫372
13.1.10 氫氣的提純373
13.2 氫氣的儲存374
13.2.1 氣態(tài)存儲375
13.2.2 液態(tài)存儲376
13.2.3 可逆金屬氫化物存儲377
13.2.4 物理吸附儲氫385
13.2.5 化合物存儲386
問題與討論388
參考文獻390
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