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(jiǎn)介2 1.2 燃料電池基礎(chǔ)6 1.2.1 燃料電池的工作原理6 1.2.2 燃料電池的特點(diǎn)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(yīng)用20 1.4.1 固定發(fā)電站21 1.4.2 運(yùn)輸工具動(dòng)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(wèn)題32 1.5.3 氫能與燃料電池33 問(wèn)題與討論34 第2章 燃料電池的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)35 2.1 燃料電池的熱力學(xué)35 2.1.1 理論效率的計(jì)算35 2.1.2 電池電動(dòng)勢(shì)與溫度的關(guān)系38 2.1.3 電池電動(dòng)勢(shì)與壓力的關(guān)系39 2.2 電極過(guò)程動(dòng)力學(xué)41 2.2.1 極化與過(guò)電勢(shì)42 2.2.2 活化過(guò)電勢(shì)43 2.2.3 濃差過(guò)電勢(shì)46 2.2.4 歐姆過(guò)電勢(shì)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(shí)際效率50 2.3.2 燃料電池系統(tǒng)的實(shí)際效率51 問(wèn)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(jiǎn)史54 3.2 工作原理59 3.3 特點(diǎn)61 3.4 膜電極組件61 3.5 電極催化劑62 3.5.1 對(duì)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(kuò)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(wèn)題80 3.7.4 Nafion膜的改進(jìn)80 3.8 雙極板和流場(chǎng)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(chǎng)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(wèn)題103 問(wèn)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(diǎn)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(jìn)114 4.3.1 陽(yáng)極催化劑性能的改進(jìn)114 4.3.2 陰極催化劑性能的改進(jìn)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(wèn)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(diǎn)151 5.2.1 優(yōu)點(diǎn)151 5.2.2 缺點(diǎn)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(yù)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(yīng)用概況174 5.6.1 空間應(yīng)用領(lǐng)域174 5.6.2 地面應(yīng)用領(lǐng)域175 問(wèn)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(duì)其性能的影響191 6.3.1 工作溫度的影響191 6.3.2 反應(yīng)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(jìn)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(dòng)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(dòng)時(shí)間202 6.5.4 提高催化劑性能202 問(wèn)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(yáng)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(duì)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(yīng)氣體組成及利用率對(duì)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(yùn)行時(shí)間的影響220 7.6 熔融碳酸鹽燃料電池的應(yīng)用與發(fā)展現(xiàn)狀221 7.6.1 熔融碳酸鹽燃料電池的應(yīng)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(wèn)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(dǎo)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(yáng)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(diǎn)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(yīng)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(yīng)用272 問(wèn)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(diǎn)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(yīng)用277 9.2 金屬半燃料電池陽(yáng)極材料278 9.2.1 鋅陽(yáng)極278 9.2.2 鋁陽(yáng)極281 9.2.3 鎂陽(yáng)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(guò)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(wèn)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(diǎn)306 10.3 碳的直接電化學(xué)氧化反應(yīng)308 10.3.1 碳電化學(xué)氧化反應(yīng)機(jī)理308 10.3.2 碳電化學(xué)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(wèn)題與展望321 問(wèn)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(yáng)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(chǔ)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(yīng)用與發(fā)展現(xiàn)狀336 11.5.1 直接硼氫化物燃料電池的應(yīng)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(wèn)題342 問(wèn)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(diǎn)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(yáng)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(yīng)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(yīng)用前景359 問(wèn)題與討論362 第13章 氫氣的制備及儲(chǔ)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(xué)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(chǔ)存374 13.2.1 氣態(tài)存儲(chǔ)375 13.2.2 液態(tài)存儲(chǔ)376 13.2.3 可逆金屬氫化物存儲(chǔ)377 13.2.4 物理吸附儲(chǔ)氫385 13.2.5 化合物存儲(chǔ)386 問(wèn)題與討論388 參考文獻(xiàn)390