高效环保的燃料电池发电系统及其应用PDF电子书下载

目录 1

前言 1

符号说明 1

缩略语 1

第1章 燃料电池的综述 1

1.1 燃料电池的定义、诞生与开发史 1

1.1.1 燃料电池的诞生与开发史 1

1.1.2 燃料电池的应用与商业化的发展史 4

1.2 燃料电池的发电原理、特点及种类 6

1.2.1 燃料电池的发电原理 6

1.2.2 燃料电池的特点 8

1.2.3 燃料电池的种类 11

1.3 燃料电池的关键材料与元件 17

1.3.1 触媒与多孔气体扩散电极 18

1.3.2 电解质隔膜 20

1.3.3 双极板 22

1.4 燃料电池组 23

1.5 燃料电池的交流发电系统 25

1.6 燃料电池与再生能源 26

1.6.1 太阳能与燃料电池 27

1.6.2 温室气体与燃料电池 29

1.6.3 再生式燃料电池 29

1.6.4 生质能与燃料电池 31

1.7 促使能源变迁与氢能经济的发展 32

1.7.1 人类使用能源的变迁 33

1.7.2 氢能经济的发展 36

1.8 燃料电池的发展方向 38

1.8.1 燃料电池的商业化发展 38

1.8.2 燃料电池的相关技术与材料研究 40

1.8.3 新型燃料电池的研究 41

1.9 我国燃料电池发展的基本情况 45

第2章 电极热力学、动力学、发电效率与电催化 49

2.1 电极热力学 49

2.1.1 自由能与理想电位 50

2.1.2 理想电位与温度的关系 52

2.1.3 理想电位与压力的关系 54

2.2 电极反应动力学 58

2.2.1 Butler-Volmer方程式 59

2.2.2 极化 62

2.2.3 活化过电位 63

2.2.4 浓度过电位 68

2.2.6 极化曲线 72

2.2.5 欧姆过电位 72

2.3 燃料电池的效率 73

2.3.1 燃料电池的理想效率 74

2.3.2 燃料电池的实际效率 76

2.3.3 燃料电池系统的效率 77

2.4 燃料电池中的催化作用 79

2.4.1 电催化原理 79

2.4.2 电催化剂（触媒）的作用 81

2.4.3 燃料电池电催化剂（触媒）的选择与设计 82

2.4.4 电催化剂（触媒）材料的开发 85

第3章 碱性燃料电池（AFC） 87

3.1 概述 87

3.2 工作原理 90

3.3 电池的结构 91

3.4.1 触媒与电极结构 93

3.4 碱性燃料电池的关键元件 93

3.4.2 电解质载体隔膜 96

3.4.3 双极板与流场 96

3.4.4 电池组的结构 97

3.4.5 电解质的管理 99

3.5 AFC的运行特性 102

3.5.1 氧化剂对AFC运行特性的影响 102

3.5.2 工作温度对AFC运行特性的影响 103

3.5.3 工作压力对AFC运行特性的影响 103

3.6 运行实例 104

3.7 AFC的开发应用 106

3.7.1 培根碱性燃料电池的开发 107

3.7.2 阿波罗登月太空飞船用AFC 107

3.7.3 航天飞机用AFC 109

3.8 各国的研究开发情况 111

3.8.1 美国的研究开发情况 112

3.8.2 欧洲的研究开发情况 113

3.8.3 日本的研究开发情况 115

3.8.4 我国的研究开发情况 118

3.9 技术开发课题 119

3.9.1 提高AFC的性能 119

3.9.2 降低AFC的造价 119

第4章 质子交换膜燃料电池（PEMFC） 121

4.1 概述 121

4.2 工作原理 123

4.3 电池的结构 126

4.4 质子交换膜燃料电池的关键元件 126

4.4.1 质子交换膜 126

4.4.2 触媒与电催化反应 131

4.4.3 电极 135

4.4.4 膜电极组 138

4.4.5 双极板与流场 140

4.5 PEMFC性能的实验测试 144

4.5.1 单体电池的结构 144

4.5.2 单体电池的性能 145

4.6 电池组的各项技术 150

4.6.1 电池组的密封技术 151

4.6.2 电池组的水管理与增湿技术 151

4.6.3 电池组的散热技术 156

4.7 PEMFC的研究开发现状 157

4.8 PEMFC的适用范围 159

4.8.1 航天与军事动力电源 159

4.8.2 车辆用动力电源 161

4.8.3 固定式电源 163

4.8.4 可携式电子产品小电源 164

4.8.5 PEMFC商品化所面临的挑战 165

4.8.6 我国当前PEMFC研究的应用目标 169

第5章 磷酸燃料电池（PAFC） 170

5.1 概述 170

5.2 工作原理 171

5.3 PAFC的工作条件 175

5.4 磷酸燃料电池的关键元件与材料 176

5.4.1 电解质与载体 176

5.4.2 电极 177

5.4.3 双极板 178

5.4.4 单体电池、电池组与系统 180

5.5.1 温度效应 185

5.5 磷酸燃料电池的性能分析 185

5.5.2 压力效应 186

5.5.3 反应气体的组成与利用率效应 188

5.5.4 杂质效应 190

5.5.5 磷酸的浓度效应 193

5.5.6 电池的内阻 194

5.6 磷酸燃料电池在静置型发电站中的应用与发展现状 194

5.7 磷酸燃料电池在电动汽车中的应用情况 199

5.8 各国对PAFC的研究开发情况 200

5.8.1 美国的研究开发情况 200

5.8.2 日本的研究开发情况 202

5.8.3 欧洲及其他国家和地区的研究开发情况 205

5.9.1 提高PAFC的性能与可靠性 207

5.9 技术开发课题 207

5.9.2 降低电池的制造成本（经济性） 210

第6章 熔融碳酸盐燃料电池（MCFC） 214

6.1 概述 214

6.2 发电原理及特性 215

6.2.1 发电原理 215

6.2.2 电池系统的特性 217

6.3 熔融碳酸盐燃料电池的关键元件与结构 220

6.3.1 电解质载体隔膜 221

6.3.2 阳极 222

6.3.3 阴极 223

6.3.4 电解质与电解质的管理 226

6.3.5 双极板与电池组的结构 229

6.4 影响MCFC性能的因素分析 231

6.4.1 压力的影响 231

6.4.2 温度的影响 234

6.4.3 反应气体的组成与利用率的影响 236

6.4.4 杂质的影响 239

6.4.5 燃料利用率与内重整反应 243

6.5 MCFC的发展情况与发展现状 244

6.5.1 20世纪80年代前的发展情况 244

6.5.2 当前的发展现状 245

6.6 发电厂系统的运行技术要点和构成 252

6.6.1 MCFC系统的运行技术要点 252

6.6.2 发电厂系统的构成 254

6.7 MCFC的技术开发课题 258

6.7.1 阴极材料的选择及电化学反应的研究 258

6.7.2 阳极材料的选择及电化学性能的研究 260

6.7.3 电解质组分的选择与添加剂的研究 260

6.7.4 电池耐腐蚀性能的研究 261

6.7.5 电池本体需要解决的问题 262

第7章 固态氧化物燃料电池（SOFC） 263

7.1 概述 263

7.2 SOFC的工作原理与特点 264

7.3 固态电解质与固态氧化物电解质 270

7.3.1 固态电解质 270

7.3.2 固态氧化物电解质 273

7.3.3 固态氧化物电解质的导电机制 274

7.4 固态氧化物燃料电池的元件与材料 279

7.4.1 电解质 280

7.4.2 阴极及其触媒 281

7.4.3 阳极及其触媒 283

7.4.4 支撑管、双极连接板与密封材料 285

7.5 SOFC的制造方法与电池组的结构 287

7.5.1 薄膜制造技术 288

7.5.2 SOFC电池组的结构 291

7.6 影响SOFC性能的因素分析 302

7.6.1 压力的影响 302

7.6.2 温度的影响 303

7.6.3 反应气体的组成与利用率的影响 304

7.6.4 杂质的影响 307

7.7 SOFC的研究开发现状 308

第8章 直接甲醇燃料电池（DMFC） 317

8.1 概述 317

8.2 DMFC的工作原理 318

8.2.1 电极反应方程式 318

8.2.2 甲醇电催化氧化机制 320

8.3 DMFC的性能分析 321

8.3.1 甲醇电催化触媒的设计 322

8.3.2 工作条件与进料方式 326

8.3.3 膜电极组的结构 328

8.3.4 电解质膜的特性 330

8.4 直接甲醇燃料电池的发展现状 331

第9章 静置式交流发电站系统 336

9.1 概述 336

9.2 燃料电池交流发电系统 338

9.3 静置式燃料电池发电站的研究开发现状 341

9.4 燃料电池交流发电系统的效率 347

9.5 燃料重整转化系统 350

9.6 燃料电池的冷却方式 352

9.7 DC/AC逆变器 354

9.7.1 现场型电站用DC/AC逆变器 355

9.7.2 分散型电站用DC/AC逆变器 361

9.7.3 大型高压发电站应用的DC/AC逆变器 366

9.8 燃料电池发电站的控制系统 377

9.9 燃料电池在UPS中的应用 378

9.10 21世纪把人类从集中供电带入到分散供电的新时代 380

9.11 燃料电池发电站与再生能源 384

9.11.1 太阳能再生式燃料电池发电站 385

9.11.2 生质能与燃料电池发电站 386

第10章 电动汽车、太空飞行、潜艇动力及可携电源 389

10.1 概述 389

10.2 电动汽车的动力 391

10.2.1 电动乘客汽车 394

10.2.2 电动汽车用的DC/AC逆变器 409

10.2.3 燃料电池电动摩托车与电动自行车 418

10.2.4 燃料电池电动车商品化存在的问题 421

10.2.5 氢气即付系统HDSTM制氢技术 425

10.2.6 储氢技术 428

10.3 太空飞行的高效电源 432

10.3.1 阿波罗登月飞船用碱性燃料电池 433

10.3.2 航天飞机用碱性燃料电池 438

10.3.3 双子星V飞船1号用PEMFC发电装置 441

10.3.4 我国航天燃料电池的开发情况 442

10.3.5 航天用再生式燃料电池的研究 443

10.4 潜艇动力 446

10.5 可携式电源 447

附录 451

附录A 燃料电池的计算方法与计算实例 451

附录B 燃料电池常用的单位转换因子 462

附录C 燃料电池常用的物理常数 463

附录D 国内从事燃料电池研发的公司和机构 463

参考文献 465