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第1章 燃料电池简介 1

1.1 燃料电池简史 1

1.1.1 燃料电池启蒙阶段 1

1.1.2 燃料电池现代发展阶段 2

1.2 燃料电池基本原理 3

1.3 燃料电池系统 5

1.3.1 燃料处理系统 5

1.3.2 排热回收系统 6

1.4 燃料电池特性 7

1.4.1 良好的环境相容性 7

1.4.2 良好的操作性能 8

1.4.3 灵活可靠的输出性能 9

1.4.4 灵活的结构特性 10

1.4.5 燃料电池存在的问题 11

1.5 燃料电池分类 11

1.5.1 碱性燃料电池 13

1.5.2 质子交换膜燃料电池 13

1.5.3 直接甲醇燃料电池 13

1.5.4 磷酸燃料电池 13

1.5.5 熔融碳酸盐燃料电池 14

1.5.6 固体氧化物燃料电池 14

1.6 其他类型燃料电池 14

1.6.1 再生型燃料电池 14

1.6.2 锌空燃料电池 14

1.6.3 生物燃料电池 15

参考文献 15

第2章 燃料电池基础理论与研究方法 18

2.1 燃料电池中的化学热力学 18

2.1.1 化学热力学基础 18

2.1.2 气体压力、浓度和温度对电极电势的影响 21

2.1.3 燃料电池的效率 22

2.2 燃料电池中的电极反应动力学［2～5］ 25

2.2.1 燃料电池的不可逆性——电压降 25

2.2.2 Butler-Volmer方程 27

2.2.3 活化损失 28

2.2.4 传质损失 31

2.2.5 欧姆损失 33

2.2.6 燃料电池的渗透及内电流 34

2.3 电催化理论简介 35

2.3.1 析氢反应和氢氧化反应机理 36

2.3.2 氧的还原反应 37

2.3.3 甲醇电催化氧化原理 39

2.4 燃料电池的传质 40

2.5 燃料电池表征方法 43

2.5.1 催化剂相关表征方法 43

2.5.2 燃料电池测试系统 46

2.5.3 燃料电池各种损失的表征方法 47

参考文献 49

第3章 燃料电池的燃料与氧化剂供应 51

3.1 化石燃料 51

3.1.1 石油 52

3.1.2 低硫轻质石油及液化石油气 53

3.1.3 天然气 53

3.1.4 煤和煤气 54

3.2 生物燃料 55

3.3 氢 56

3.3.1 氢的制取 57

3.3.2 氢燃料的纯化 77

3.3.3 氢的贮存 83

3.3.4 氢的运输和加注 87

3.3.5 氢的安全性 88

3.4 燃料电池氧化剂的供应 90

3.4.1 压缩机类型 91

3.4.2 压缩机供气量和压缩机的选择 92

参考文献 94

第4章 碱性燃料电池 97

4.1 引言 97

4.2 工作原理 98

4.3 电催化剂与电极 99

4.3.1 电催化剂 99

4.3.2 电极结构与制备工艺 101

4.4 电解质 103

4.5 AFC性能的影响因素和存在的问题 105

4.5.1 操作压力 105

4.5.2 操作温度 106

4.5.3 电解质浓度 106

4.5.4 CO2的毒化问题 106

4.5.5 排水方法 107

参考文献 108

第5章 质子交换膜燃料电池 110

5.1 引言 110

5.2 PEMFC的特征 112

5.2.1 能量转换效率 112

5.2.2 温度特性 113

5.2.3 压力特性 113

5.2.4 CO的影响 114

5.2.5 寿命 114

5.2.6 电池及电堆性能特征描述 114

5.3 质子交换膜 115

5.3.1 概述 115

5.3.2 全氟磺酸膜 117

5.3.3 非全氟磺酸膜 119

5.3.4 耐热型质子交换膜 120

5.3.5 质子交换膜发展方向 121

5.4 电催化剂 121

5.4.1 电催化剂的技术指标与选择原则 122

5.4.2 阳极催化剂及其发展趋势 124

5.4.3 阴极催化剂 127

5.4.4 电催化剂的制备方法 129

5.5 电极 130

5.5.1 气体扩散层 131

5.5.2 催化层 133

5.5.3 膜电极“三合一”组件的制备 136

5.6 双极板及流场设计 137

5.6.1 双极板的功能和特点 137

5.6.2 双极板种类及其特征 138

5.6.3 流场形式及特征 139

5.6.4 双极板及流场设计发展展望 142

5.7 PEMFC系统 142

5.7.1 单电池与电堆 143

5.7.2 PEMFC加湿单元 143

5.7.3 PEMFC供气单元 146

5.7.4 PEMFC电源系统集成与运行管理 146

5.8 PEMFC的应用 146

5.8.1 小型定置发电系统 147

5.8.2 运输工具 150

5.8.3 便携式电源 152

5.9 可再生燃料电池（RFC） 153

参考文献 155

第6章 直接甲醇燃料电池 160

6.1 引言 160

6.2 DMFC的工作原理 160

6.2.1 DMFC电极反应 161

6.2.2 甲醇电催化氧化原理及影响因素 162

6.3 DMFC阴阳极催化剂及质子交换膜 164

6.3.1 DMFC阴极催化剂 164

6.3.2 DMFC阳极催化剂 164

6.3.3 DMFC质子交换膜 166

6.4 DMFC及其性能影响因素分析 166

6.4.1 DMFC的组成与结构 166

6.4.2 DMFC工作条件和进料方式 168

6.4.3 DMFC的功率范围及限制因素 168

6.5 DMFC系统的应用发展 169

参考文献 171

第7章 磷酸燃料电池 175

7.1 引言 175

7.2 PAFC工作原理与特性 176

7.2.1 工作原理 176

7.2.2 PAFC特性 176

7.3 PAFC组成材料 177

7.3.1 电解质与载体 177

7.3.2 催化剂 178

7.3.3 双极板 179

7.4 PAFC结构 180

7.4.1 电极结构及制备工艺 180

7.4.2 单电池与电池堆 181

7.5 影响PAFC性能的因素 183

7.5.1 压力 183

7.5.2 温度 184

7.5.3 燃料组成及利用率 185

7.5.4 氧化剂组成及利用率 185

7.6 技术开发重点 186

参考文献 187

第8章 熔融碳酸盐燃料电池 189

8.1 MCFC工作原理 189

8.2 熔融碳酸盐燃料电池材料 190

8.2.1 阳极材料 191

8.2.2 阴极材料 191

8.2.3 基体材料 193

8.3 影响熔融碳酸盐燃料电池性能的因素 194

8.3.1 压力的影响 195

8.3.2 温度的影响 195

8.3.3 反应气体组分和利用率的影响 196

8.4 熔融碳酸盐燃料电池的应用与发展 197

参考文献 200

第9章 固体氧化物燃料电池 201

9.1 历史 201

9.2 SOFC的工作原理 202

9.3 SOFC技术和应用 203

9.4 SOFC材料 204

9.4.1 固体电解质材料 205

9.4.2 阳极材料 207

9.4.3 阴极材料 209

9.4.4 连接材料 211

9.5 SOFC的制备工艺 211

9.5.1 物理法 212

9.5.2 化学法 213

9.5.3 陶瓷成型法 214

9.6 SOFC的电堆结构 215

9.6.1 管状设计 215

9.6.2 平板式设计 217

9.6.3 合并的平板式SOFC和平管高功率密度设计 220

9.7 燃料和燃料的处理 220

9.7.1 内部重整 221

9.7.2 碳氢燃料的直接氧化 223

参考文献 224

第10章 燃料电池的电能输出 226

10.1 引言 226

10.2 线性电源电路 227

10.3 开关电源主要元、器件 227

10.3.1 高频二极管 227

10.3.2 功率场效应管（MOSFET） 228

10.3.3 磁路与磁性材料 228

10.3.4 电感 229

10.3.5 变压器 230

10.4 Buck开关调整器 230

10.5 Boost开关调整器 232

10.5.1 Boost开关调整器的工作原理 232

10.5.2 燃料电池辅助电源用锂电池选择实例 233

10.6 Cuk开关调整器 233

10.7 Sepic开关调整器 236

10.7.1 Sepic开关调整器的工作原理 236

10.7.2 10W燃料电池电压变换实例 236

10.8 单端正激变换器 237

10.9 推挽型变换器 239

10.10 全桥变换器 240

10.11 开关电源的控制原理 241

10.12 800 W燃料电池DC/DC变换器实例 242

参考文献 244

结束语 245