燃料电池系统 原理·设计·应用 原书第2版PDF电子书下载

目录 1

第1章 绪论 1

1.1 氢燃料电池基本原理 1

1.2 是什么限制了电流 4

1.3 把电池串联起来——双极板 5

1.4 供气和冷却 7

1.5 燃料电池的分类 11

1.6 其他类型的电池 13

1.6.1 生物燃料电池 13

1.6.2 金属-空气电池 13

1.6.3 氧化还原液流电池和可再生燃料电池 14

1.7 燃料电池系统的其他部分 15

1.8 比较各电池系统用的参数 17

1.9 优点和应用 18

参考文献 19

第2章 效率和开路电压 20

2.1 氢气燃料电池的能量和电动势（EMF） 20

2.2 其他燃料电池和普通电池的开路电压 23

2.3 效率和效率极限 24

2.4 效率和燃料电池电压 27

2.5 气体浓度和压力的影响 28

2.5.1 能斯特公式 28

2.5.2 氢气分压 30

2.5.3 燃料和氧化剂的利用率 31

2.5.4 系统压力 31

2.5.5 应用——血液中酒精含量的测定 32

2.6 总结 33

参考文献 34

第3章 燃料电池工作电压 35

3.1 引言 35

3.2 相关术语 36

3.3 燃料电池的不可逆性——电压降的原因 37

3.4 活化损失 38

3.4.1 Tafel公式 38

3.4.2 Tafel公式中的常量 39

3.4.3 降低活化过电压 42

3.4.4 活化过电压总结 42

3.5 燃料穿透和内部短路电流 43

3.6 欧姆损失 45

3.7 传质与浓度损失 46

3.8 不可逆性的综合考虑 48

3.9 双电层 49

3.10 区分各种不可逆性 50

参考文献 53

第4章 质子交换膜燃料电池（PEMFC） 55

4.1 引言 55

4.2 聚合物电解质是如何工作的 57

4.3 电极和电极结构 59

4.4 PEMFC的水管理 62

4.4.1 总论 62

4.4.2 空气流动和水蒸发 64

4.4.3 PEMFC的空气湿度 66

4.4.4 不经另外加湿的PEMFC操作 68

4.4.5 外部加湿——原理 70

4.4.6 外部加湿——方法 72

4.5 PEMFC的冷却和空气供给 74

4.5.1 阴极空气冷却法 74

4.5.2 反应空气与冷却空气分离法 75

4.5.3 PEMFC的水冷却法 76

4.6 PEMFC的内部连接——双极板 77

4.6.1 引言 77

4.6.2 双极板上的流场形式 78

4.6.3 制作PEMFC的双极板 79

4.6.4 电池堆的其他布局方式 82

4.7 操作压力 84

4.7.1 概述 84

4.7.2 高压操作性价比简单分析 86

4.7.3 影响压力选择的其他因素 89

4.8 反应物组成 91

4.8.1 一氧化碳中毒 91

4.8.2 甲醇和其他液体燃料 92

4.8.3 用纯氧代替空气作为氧化剂 92

4.9 系统实例 93

4.9.1 12W的小型系统 93

4.9.2 2kW的中型系统 94

4.9.3 205kW的燃料电池发动机 97

参考文献 98

5.1.1 基本原理 100

5.1.2 历史地位 100

5.1 历史背景及综述 100

第5章 碱性燃料电池 100

5.1.3 主要优点 101

5.2 碱性燃料电池的类型 103

5.2.1 循环式电解质碱性燃料电池 103

5.2.2 固定式电解质碱性燃料电池 105

5.2.3 可溶解燃料碱性燃料电池 106

5.3 工作压力和温度 108

5.4 碱性电解质燃料电池的电极 111

5.4.1 引言 111

5.4.2 烧结镍双孔电极 111

5.4.3 雷尼金属 112

5.4.4 滚压电极 112

5.5 电池的连接 113

5.6 问题与改进 114

参考文献 115

第6章 直接甲醇燃料电池（DMFC） 117

6.1 引言 117

6.2 阳极反应和催化剂 119

6.2.1 DMFC总反应 119

6.2.2 碱性DMFC的阳极反应 119

6.2.3 质子交换膜DMFC的阳极反应 120

6.2.4 阳极燃料供给 121

6.2.5 阳极催化剂 122

6.3 电解质和燃料穿透 123

6.3.1 燃料穿透是如何发生的 123

6.3.2 降低燃料穿透的常规技术 124

6.3.3 正在发展的抗燃料穿透技术 125

6.4 阴极反应和催化剂 126

6.5 甲醇的制备、储存和安全 126

6.5.1 甲醇的制备 126

6.5.2 甲醇的安全性 127

6.5.3 甲醇与乙醇的比较 129

6.5.4 甲醇的储存 130

6.6 DMFC的应用 130

参考文献 133

第7章 中高温燃料电池 136

7.1 引言 136

7.2 一般特征 137

7.2.1 燃料重整概述 137

7.2.2 燃料利用率 139

7.2.3 底循环 140

7.2.4 热交换器的应用——放射本能和夹点技术 145

7.3 磷酸燃料电池（PAFC） 148

7.3.1 工作原理 148

7.3.2 PAFC的工作性能 151

7.3.3 PAFC的最新发展动态 153

7.4.1 工作原理 156

7.4 熔融碳酸盐燃料电池（MCFC） 156

7.4.2 使用熔融碳酸盐电解质的条件 158

7.4.3 MCFC里的电池组件 159

7.4.4 电池堆的配置与密封 163

7.4.5 内部重整 165

7.4.6 MCFC的工作性能 166

7.4.7 实际应用的MCFC系统 169

7.5 固体氧化物燃料电池（SOFC） 174

7.5.1 工作原理 174

7.5.2 SOFC电池组件 176

7.5.3 SOFC的实际设计和电池堆布局 180

7.5.4 SOFC的工作性能 185

7.5.5 SOFC联合循环、新颖的系统设计和混合系统 186

7.5.6 中温SOFC 189

参考文献 190

8.1 引言 194

第8章 燃料电池的燃料供应 194

8.2 化石燃料 196

8.2.1 石油 196

8.2.2 混合物中的石油：沥青砂、油页岩、气体水合物和液化石油气（LPG） 198

8.2.3 煤和煤气 198

8.2.4 天然气 200

8.3 生物燃料 201

8.4 燃料处理基础 202

8.4.1 燃料电池对燃料的要求 202

8.4.2 脱硫 203

8.4.3 蒸汽重整 204

8.4.4 碳的形成和预重整 207

8.4.5 内部重整 209

8.4.6 直接氧化碳氢化合物 210

8.4.7 部分氧化和自热重整 211

8.4.9 燃料进一步处理——除去一氧化碳 212

8.4.8 碳氢化合物高温分解或热裂解制氢 212

8.5 燃料处理系统的实际应用——固定式电源 214

8.5.1 传统工业蒸汽重整 214

8.5.2 蒸汽重整型PEMFC和PAFC电厂的天然气进料系统设计 215

8.5.3 重整器和部分氧化反应器的设计 217

8.6 燃料处理系统的实际应用——移动式应用 224

8.6.1 概述 224

8.6.2 车用甲醇重整工艺 225

8.6.3 微型甲醇反应器 227

8.6.4 汽油重整 229

8.7 电解器 230

8.7.1 电解器的操作 230

8.7.2 电解器的应用 231

8.7.3 电解器效率 232

8.7.4 高压制氢 232

8.7.5 光-电解 233

8.8 生物制氢 234

8.8.1 引言 234

8.8.2 光合作用 235

8.8.3 发酵工艺制氢 236

8.9 贮氢Ⅰ——以氢的形式储存 237

8.9.1 引言 237

8.9.2 安全问题 237

8.9.3 以压缩气体形式贮氢 239

8.9.4 液态贮氢 241

8.9.5 可逆金属氢化物贮氢 243

8.9.6 碳纳米纤维 245

8.9.7 贮氢方法的比较 248

8.10 贮氢Ⅱ——化学方法 249

8.10.1 引言 249

8.10.2 甲醇 250

8.10.3 碱金属氢化物 251

8.10.4 硼氢化钠 252

8.10.5 氨 256

8.10.6 储存方法比较 258

参考文献 259

第9章 压缩机、涡轮机、喷射器、鼓风机、吹风机和泵 263

9.1 引言 263

9.2 压缩机——使用类型 263

9.3 压缩机效率 266

9.4 压缩机功率 267

9.5 压缩机性能图 268

9.6 离心式压缩机的性能图 271

9.7 压缩机选择——实际问题 272

9.8 涡轮机 273

9.9 涡轮增压器 276

9.10 喷射循环器 276

9.11 鼓风机和吹风机 277

9.12 隔膜泵或膜片泵 279

参考文献 280

第10章 燃料电池电力传输 281

10.1 引言 281

10.2 DC调节和电压转换 282

10.2.1 开关装置 282

10.2.2 开关调节器 284

10.3 逆变器 288

10.3.1 单相 288

10.3.2 三相 291

10.3.3 调整要点和费用 292

10.3.4 功率因素校正 295

10.4 电动机 296

10.4.1 通常观点 296

10.4.2 感应电动机 297

10.4.3 无刷DC电动机 299

10.4.4 开关磁阻电动机 301

10.4.5 电动机效率 303

10.4.6 电动机质量 305

10.5 燃料电池／电池或电容混合系统 306

参考文献 310

第11章 燃料电池系统分析 312

11.1 引言 312

11.2 能量系统 312

11.3 燃料生产到使用全程分析 314

11.3.1 从油井到车轮的分析 314

11.3.2 油井到油箱的分析 315

11.3.3 通用汽车公司（GM）燃料生产到使用全程研究的主要结论 316

11.4 动力链或驱动链分析 318

11.5 实例系统Ⅰ——PEMFC动力公共汽车 319

11.6.2 流程图和系统的初步设计 324

11.6.1 引言 324

11.6 实例系统Ⅱ——用天然气作为燃料的固定系统 324

11.6.3 详细的工程设计 328

11.6.4 进一步的系统分析 329

11.7 结束语 330

参考文献 331

附录A 摩尔吉布斯自由能变的计算 332

A.1 氢燃料电池 332

A.2 一氧化碳燃料电池 334

参考文献 335

附录B 燃料电池相关公式 336

B.1 引言 336

B.2 氧气和空气的用量 336

B.3 出口空气流速 338

B.4 氢气的用量 338

B.5 水的生成速率 339

B.6 生成的热能 339