燃料电池-问题与对策PDF电子书下载

第一部分引言 5

第1章 燃料电池的工作原理 5

1.1热力学方面 5

1.1.1卡诺循环的限度 5

1.1.2电化学能量转换 5

1.2燃料电池单元的原理示意图 7

1.2.1单体燃料电池 7

1.2.2燃料电池电堆 8

1.2.3基于燃料电池的电站 9

1.3燃料电池的类型 10

1.4真实燃料电池设计：液体电解质氢气—氧气燃料电池 11

1.4.1气体电极 11

1.4.2电化学反应 12

1.4.3电极电势 12

1.4.4单体燃料电池的电压 13

1.5燃料电池的基本参数 14

1.5.1工作电压 14

1.5.2放电电流与放电功率 14

1.5.3燃料电池的工作效率 15

1.5.4热量的产生 16

1.5.5比较燃料电池参数的方法 16

1.5.6寿命 17

1.5.7特殊操作要素 17

参考文献 18

第2章 燃料电池的悠久历史 19

2.1 1894年以前的时期 19

2.2 1894年至1960年期间 20

2.3 1960年至20世纪90年代期间 23

2.4 20世纪90年代以后的时期 27

参考文献 28

第二部分 燃料电池的主要类型 33

第3章 质子交换膜燃料电池 33

3.1 PEMFC的历史 33

3.1.1 Nafion膜 34

3.1.2 Pt催化剂的高效利用 34

3.1.3膜电极集合体（膜电极） 35

3.2 20世纪90年代以来标准形式的PEMFC 36

3.2.1单体PEMFC 36

3.2.2 PEMFC电堆 37

3.2.3 PEMFC的工作条件 38

3.2.4 PEMFC的电流—电压曲线 38

3.3 PEMFC的工作特性 39

3.3.1水管理 39

3.3.2热管理 40

3.3.3反应气体分压 40

3.3.4环境温度的影响 41

3.4氢气中痕量CO对Pt催化剂的毒化 41

3.4.1通过电流脉冲和氧化剂促使CO氧化 41

3.4.2 Pt-Ru催化剂的使用 42

3.4.3较高的工作温度 42

3.5 PEMFC相关的商业活动 42

3.6 PEMFC未来的发展 43

3.6.1较长的寿命 44

3.6.2 PEMFC的成本估算 46

3.6.3双极板 47

3.7升温的PEMFC 48

参考文献 50

第4章 直接液体燃料电池 52

4.1作为燃料电池燃料的甲醇 52

4.2电流产生反应和热力学参数 52

4.3甲醇的阳极氧化反应 53

4.4 DMFC发展过程中的里程碑 54

4.5电解质膜的甲醇渗透 54

4.6 DMFC的种类 56

4.6.1按反应物供给方式分类 56

4.6.2按应用分类 57

4.7 DMFC的工作特性 57

4.7.1反应物供给和产物排出 58

4.7.2 DMFC中水的管理 58

4.7.3双极板流道内CO2的累积 59

4.8 DMFC实际样机及其特征 59

4.9未来DMFC需要解决的一些问题 60

4.9.1延长寿命 61

4.9.2提高效率 61

4.9.3降低成本 61

4.10甲醇替代问题 62

4.11使用有机液体为燃料的燃料电池 62

4.11.1直接乙醇燃料电池 62

4.11.2直接甲酸燃料电池 64

4.12使用无机液体为燃料的燃料电池 66

4.12.1直接硼氢化物燃料电池 66

4.12.2直接肼燃料电池 67

参考文献 68

第5章 磷酸燃料电池 71

5.1磷酸燃料电池的早期工作 71

5.2磷酸水溶液的特性 72

5.3 PAFC的结构 72

5.4 PAFC的商业化生产 73

5.5大型固定电站的开发 73

5.6 PAFC的未来 74

5.7 PAFC对燃料电池发展的重要性 75

参考文献 75

第6章 碱性燃料电池 76

6.1氢气—氧气AFC 76

6.1.1 Bacon电堆 77

6.1.2 Apollo宇宙飞船电堆 77

6.1.3早期含有基体电解质的AFC 78

6.1.4 Orbiter航天飞机电池 78

6.1.5采用骨架型催化剂的AFC 78

6.1.6使用碳电极的AFC 79

6.1.7 AFC领域存在的一些问题 79

6.1.8碱性燃料电池的工作现状与前景 81

6.2碱性肼燃料电池 82

6.3阴离子交换（氢氧根离子传导）膜 84

6.4使用阴离子交换膜的甲醇燃料电池 85

6.5采用恒定浓度碱性电解质的甲醇燃料电池 86

参考文献 86

第7章 熔融碳酸盐燃料电池 87

7.1高温燃料电池的特点 87

7.2氢气—氧气熔融碳酸盐燃料电池的结构 87

7.3燃料内部重整的熔融碳酸盐燃料电池 89

7.4熔融碳酸盐燃料电池的研究进展 90

7.5熔融碳酸盐燃料电池的寿命 91

参考文献 93

第8章 固体氧化物燃料电池 94

8.1传统的固体氧化物燃料电池的设计方案 94

8.2管式SOFC 96

8.2.1 Siemens-Westinghouse管式电池 96

8.2.2其他管式电极的SOFC 98

8.3平板式SOFC 99

8.3.1密封 100

8.3.2双极板 100

8.3.3平板式SOFC中的应力 100

8.4一体式SOFC 101

8.5不同类型的SOFC 102

8.5.1单腔体SOFC 102

8.5.2直接火焰型SOFC 102

8.5.3氨气SOFC 103

8.6天然燃料在SOFC中的应用 103

8.6.1利用天然燃料的方法 103

8.6.2碳化问题 104

8.6.3天然燃料中含硫化合物的问题 104

8.7中温SOFC 104

8.7.1降低SOFC运行温度所面临的问题 104

8.7.2新型固体电解质 105

8.7.3新型电极材料 106

8.7.4 IT-SOFC原型样机 107

8.8低温SOFC 107

8.8.1薄膜LT-SOFC 108

8.8.2复合电解质LT-SOFC 108

8.9影响SOFC寿命的因素 109

参考文献 110

第9章 其他类型的燃料电池 112

9.1氧化还原液流电池 112

9.1.1铁—铬氧化还原液流电池 112

9.1.2全钒氧化还原液流电池 113

9.2生物燃料电池 114

9.2.1酶生物燃料电池 115

9.2.2细菌生物燃料电池 116

9.3半燃料电池 116

9.3.1金属—空气电池 117

9.3.2镍—氢气二次电池 117

9.4直接碳燃料电池 118

9.4.1目的与前期工作 118

9.4.2反应及热力学参数 119

9.4.3 1960年之后有关碳燃料电池的工作 119

参考文献 121

第10章 燃料电池与电解过程 123

10.1水电解 123

10.1.1具有质子传导膜的电解池 123

10.1.2高温电解池 124

10.1.3储存电能的氢气—氧气系统 124

10.1.4可逆的（组合的）PEMFC系统 125

10.2氯—碱电解 126

10.2.1氯—碱电解池中氧电极的问题 127

10.2.2氢气—氯气燃料电池 127

10.3电化学合成反应 128

10.3.1含有二氧化碳的反应 128

10.3.2燃料电池与化学联产 129

参考文献 130

第三部分 燃料电池科学和工程的内在问题 133

第11章 燃料管理 133

11.1天然燃料的重整 133

11.1.1天然气（甲烷） 134

11.1.2碳源 135

11.1.3生物乙醇 136

11.2用于独立电站的氢气生产 136

11.2.1水的电解 136

11.2.2用于独立电站的烃类重整 137

11.2.3甲醇重整 137

11.2.4由无机物制取氢气 138

11.3工业氢气的净化 138

11.3.1脱硫 138

11.3.2一氧化碳净化 138

11.4氢气的运输与存储 140

11.4.1压缩氢气 141

11.4.2液化氢气 141

11.4.3金属氢化物 141

11.4.4碳材料 142

参考文献 142

第12章 电催化作用 144

12.1电催化的基本原理 144

12.2电极上Pt催化剂的引入 146

12.2.1溅射沉积 147

12.2.2双离子束辅助沉积 148

12.2.3电喷涂技术 149

12.3铂催化剂载体 149

12.3.1其他碳载体 149

12.3.2过渡金属氧化物载体 150

12.3.3导电聚合物基底上的铂纳米粒子 150

12.4铂合金及其复合物作为阳极催化剂 151

12.4.1改进Pt-Ru催化剂的工作 151

12.4.2铂与其他金属的合金 151

12.4.3复合的铂催化剂 152

12.5用于燃料电池阳极的非铂催化剂 153

12.6氧还原反应的电催化 153

12.6.1氧电极的开路电势 154

12.6.2提高铂催化剂对ORR的催化活性 155

12.6.3非铂ORR催化剂 156

12.6.4非贵金属ORR催化剂 157

12.6.5双功能的氧催化剂 157

12.7电催化剂的稳定性 158

参考文献 158

第13章 电解质膜 161

13.1燃料电池相关的电解质膜问题 161

13.2克服Nafiion膜降解的相关研究工作 162

13.3 Nafiion膜的改性 162

13.3.1在Nafiion膜水含量方面的改进 162

13.3.2减少甲醇渗透 163

13.4非氟聚合物电解质膜 164

13.4.1基于聚苯并咪唑的电解质膜 164

13.4.2基于聚醚醚酮的电解质膜 164

13.5由其他材料制备的电解质膜 165

13.6基体型电解质膜 165

13.7氢氧根离子传导膜 166

参考文献 166

第14章 用于便携式设备的小型燃料电池 168

14.1小型燃料电池的工作特性 168

14.2平板式微型燃料电池电堆 169

14.3硅基小型燃料电池 171

14.4基于印制电路板的小型燃料电池 172

14.5小型固体氧化物燃料电池 173

14.6空气自吸式阴极的问题 173

14.7小型燃料电池电源样机 174

14.7.1电源的比性能指标 174

14.7.2小型DMFC电源 175

14.7.3小型PEMFC电源 175

14.7.4小型重整制氢燃料电池 176

14.8结束语 176

参考文献 177

第15章 燃料电池的数学建模 178

15.1零维建模 179

15.2一维建模 179

15.3二维建模 180

15.4三维建模 181

15.5结束语 181

参考文献 182

第四部分 燃料电池的商业应用 185

第16章 燃料电池的应用 185

16.1大型固定电站 185

16.1.1基本发展趋势 185

16.1.2 混合电站 187

16.2小型固定电站 188

16.3交通运输应用的燃料电池 190

16.3.1传统内燃机车辆的替代方案 190

16.3.2燃料电池车实际应用存在的问题 190

16.3.3燃料电池电动车的发展前景 192

16.3.4燃料电池在其他运输工具中的应用 193

16.4便携式设备 194

16.4.1便携式设备电源 194

16.4.2用于便携式设备的燃料电池开发工作 196

16.5燃料电池的军事应用 197

参考文献 198

第17章 世界各国燃料电池的研究工作 200

17.1燃料电池研究工作的推动力 200

17.2燃料电池和氢能经济 201

17.3北美的燃料电池工作 203

17.4欧洲的燃料电池工作 204

17.5其他国家的燃料电池工作 204

17.6大量公开发表的燃料电池工作 206

17.7燃料电池领域的法规和标准 207

参考文献 208

第18章 展望 209

18.1希望与失望交替时期 209

18.2某些错误的概念 210

18.3理想的燃料电池 211

18.4燃料电池的未来规划 213

参考文献 214

符号表 215

缩写 217