第1章 燃料电池基础 1
1.0 引言 1
1.1 什么是燃料电池 2
1.1.1 与普通电池的比较 3
1.1.2 与热机的比较 4
1.2 为什么需要燃料电池 4
1.2.1 便携式设备 5
1.2.2 移动式设备 5
1.2.3 固定式设备 6
1.3 燃料电池的历史 6
1.3.1 质子交换膜燃料电池 8
1.3.2 固体氧化物燃料电池 8
1.3.3 熔融碳酸盐燃料电池 8
1.3.4 磷酸燃料电池 9
1.3.5 碱性燃料电池 9
1.4 燃料电池如何工作 10
1.5 本章小结 11
1.6 思考题 11
1.7 参考文献 11
第2章 燃料电池与氢经济 12
2.0 引言 12
2.1 氢的特性 12
2.1.1 概述 12
2.1.2 氢作为燃料的安全性问题 13
2.2 世界能源需求 15
2.3 氢经济的发展 16
2.4 氢的制造、运送和储存 17
2.4.1 氢制造技术 17
2.4.2 氢储存技术 18
2.4.3 全球氢加注站 19
2.5 氢基础设施方面的投资 20
2.5.1 政府支持 21
2.5.2 氢应用的长期计划 22
2.5.3 氢研发方面的主要参与者 22
2.6 本章小结 26
2.7 思考题 26
2.8 参考文献 26
第3章 燃料电池类型 28
3.0 引言 28
3.1 聚合物电解质膜燃料电池（PEMFC） 30
3.2 碱性燃料电池（AFC） 31
3.3 磷酸燃料电池（PAFC） 32
3.4 固体氧化物燃料电池（SOFC） 32
3.5 熔融碳酸盐燃料电池（MCFC） 34
3.6 直接甲醇燃料电池（DMFC） 35
3.7 锌空气燃料电池（ZAFC） 36
3.8 质子陶瓷燃料电池（PCFC） 38
3.9 生物燃料电池（BFC） 38
3.10 本章小结 40
3.11 思考题 40
3.12 参考文献 41
第4章 燃料电池应用 42
4.0 引言 42
4.1 便携式电源 42
4.2 备用式电源 43
4.2.1 概述 43
4.2.2 基本的电解槽计算公式 44
4.3 移动式电源 45
4.3.1 汽车 46
4.3.2 大巴 51
4.3.3 实用运载工具 53
4.3.4 踏板车与自行车 55
4.4 固定式电源 56
4.5 本章小结 62
4.6 思考题 62
4.7 参考文献 63
第5章 燃料电池热力学基础 64
5.0 引言 64
5.1 热力学基本概念 64
5.2 燃料电池可逆和净输出电压 68
5.3 燃料电池理论效率 73
5.3.1 概述 73
5.3.2 能量效率 74
5.4 燃料电池温度 75
5.5 燃料电池压强 76
5.6 本章小结 78
5.7 思考题 78
5.8 参考文献 78
第6章 燃料电池电化学基础 80
6.0 引言 80
6.1 电极动力学 82
6.2 电压损失 84
6.3 内部电流和交叉电流 88
6.4 提高动力性能 88
6.5 本章小结 89
6.6 思考题 89
6.7 参考文献 90
第7章 燃料电池电荷传输 91
7.0 引言 91
7.1 因电荷传输而引起的电压损失 91
7.2 金属的微传导性 95
7.3 水性电解质的离子传导性 95
7.4 聚合物电解质的离子传导性 96
7.5 陶瓷电解质的离子传导性 98
7.6 本章小结 99
7.7 思考题 99
7.8 参考文献 100
第8章 燃料电池质量传输 101
8.0 引言 101
8.1 从流道到电极的对流性质量传输 101
8.2 燃料电池电极中的扩散性质量传输 102
8.3 流结构中的对流性质量传输 105
8.3.1 流道中的质量传输 106
8.3.2 流道中的压降 109
8.4 本章小结 114
8.5 思考题 114
8.6 参考文献 114
第9章 燃料电池热传输 116
9.0 引言 116
9.1 燃料电池能量平衡 117
9.1.1 总的能量平衡过程 117
9.1.2 燃料电池堆的能量平衡 118
9.1.3 燃料电池总的能量平衡 118
9.1.4 燃料电池组成部件和气体的能量平衡 119
9.2 燃料电池各层中产生的热和流量 121
9.3 热传导 122
9.4 通过自然对流和辐射散热 123
9.5 燃料电池热管理 123
9.5.1 热交换器模型 125
9.5.2 空气冷却 126
9.5.3 边缘冷却 129
9.6 本章小结 129
9.7 思考题 130
9.8 参考文献 130
第10章 燃料电池建模 132
10.0 引言 132
10.1 质量守恒 134
10.2 动量守恒 134
10.3 能量守恒 135
10.4 物质守恒 136
10.5 电荷守恒 137
10.6 电极 137
10.6.1 质量传输 138
10.6.2 电化学行为 139
10.6.3 离子／电子传输 141
10.6.4 电极中的热传输 142
10.7 电解质 142
10.8 本章小结 143
10.9 思考题 144
10.10 参考文献 144
第11章 燃料电池材料 146
11.0 引言 146
11.1 电解质层 147
11.1.1 PEMFC和DMFC 148
11.1.2 PAFC 150
11.1.3 AFC 151
11.1.4 MCFC 151
11.1.5 SOFC 152
11.2 燃料电池电极层 153
11.2.1 PEMFC,DMFC和PAFC催化剂 154
11.2.2 PEMFC,DMFC和PAFC气体扩散层 157
11.2.3 AFC电极 158
11.2.4 MCFC电极 159
11.2.5 SOFC电极 160
11.3 低温燃料电池处理技术 160
11.4 SOFC制造方法 162
11.5 燃料电池制造方法 163
11.5.1 制备聚合物电解质膜 164
11.5.2 催化剂／电极层材料 164
11.5.3 热压MEA 165
11.6 本章小结 166
11.7 思考题 166
11.8 参考文献 166
第12章 燃料电池堆组成部件与材料 170
12.0 引言 170
12.1 双极板 171
12.1.1 中低温燃料电池的双极板材料 171
12.1.2 涂层金属板 172
12.1.3 复合板 174
12.2 流场设计 174
12.3 SOFC材料 178
12.4 MCFC材料 179
12.5 PAFC材料与设计 180
12.6 流道形状、尺寸和间隔 180
12.7 双极板制造 180
12.7.1 无孔石墨板制作 181
12.7.2 涂层金属板制作 181
12.7.3 复合板制作 181
12.8 垫片和隔板 182
12.8.1 PEMFC/DMFC/AFC 182
12.8.2 SOFC封装 183
12.9 端板 184
12.10 构建燃料电池双极板、垫片、端板和集流器 185
12.10.1 双极板设计 186
12.10.2 垫片选择 186
12.10.3 端板 186
12.10.4 集流器 188
12.11 本章小结 188
12.12 思考题 188
12.13 参考文献 189
第13章 燃料电池堆设计 191
13.0 引言 191
13.1 燃料电池堆大小 191
13.2 电池数 197
13.3 堆配置 198
13.4 向电池分配燃料和氧化剂 202
13.5 电池互连 203
13.5.1 SOFC 204
13.5.2 AFC 204
13.6 堆夹具 205
13.7 PEMFC的水管理 205
13.7.1 概述 205
13.7.2 水管理方法 206
13.8 燃料电池堆装配 207
13.9 本章小结 207
13.10 思考题 208
13.11 参考文献 209
第14章 燃料电池系统设计 213
14.0 引言 213
14.1 燃料子系统 215
14.1.1 加湿系统 215
14.1.2 鼓风机和风机 219
14.1.3 压缩机 222
14.1.4 涡轮机 226
14.1.5 燃料电池泵 227
14.2 电子系统 231
14.2.1 功率二极管 233
14.2.2 开关器件 233
14.2.3 开关调节器 234
14.2.4 逆变器 237
14.2.5 超级电容器 238
14.2.6 手机电源电子装置 239
14.2.7 汽车用DC-DC转换器 240
14.2.8 大型应用中的多电平转换器 240
14.3 燃料电池混合电源系统 241
14.4 系统效率 241
14.5 本章小结 243
14.6 思考题 243
14.7 参考文献 243
第15章 燃料类型、运输与处理 245
15.0 引言 245
15.1 氢 246
15.1.1 气体 246
15.1.2 液态 250
15.1.3 碳纳米纤维 250
15.2 其他常用燃料类型 253
15.2.1 甲醇 253
15.2.2 乙醇 254
15.2.3 金属氢化物 254
15.2.4 化学氢化物 256
15.2.5 氨 259
15.2.6 天然气 260
15.2.7 丙烷 260
15.2.8 汽油和其他基于石油的燃料 260
15.2.9 生物燃料 261
15.3 燃料处理 261
15.3.1 脱硫 263
15.3.2 蒸气重整 263
15.3.3 碳的形成 265
15.3.4 内部重整 265
15.3.5 直接碳氢化合物氧化 266
15.3.6 部分氧化 267
15.3.7 高温分解 268
15.3.8 甲醇重整 268
15.4 生物制氢 269
15.4.1 光合作用 269
15.4.2 细菌分解过程 270
15.5 电解槽 270
15.5.1 电解槽效率 272
15.5.2 电解槽中的高压 272
15.6 本章小结 273
15.7 思考题 273
15.8 参考文献 273
第16章 燃料电池工作条件 277
16.0 引言 277
16.1 工作压强 277
16.2 工作温度 279
16.3 反应物流速 280
16.4 反应物湿度 283
16.5 燃料电池质量平衡 284
16.6 本章小结 290
16.7 思考题 290
16.8 参考文献 291
第17章 燃料电池表征 294
17.0 引言 294
17.1 燃料电池测试设备 294
17.2 测试装置的验证 295
17.3 燃料电池状态调整 296
17.4 基本测试条件和工作参数 297
17.4.1 温度 297
17.4.2 压强 298
17.4.3 流速 298
17.4.4 压缩力 298
17.5 极化曲线 298
17.6 燃料电池电阻 300
17.6.1 电流中断法 300
17.6.2 交流阻抗法 301
17.6.3 高频阻抗法（HFR） 301
17.6.4 电化学阻抗波谱法（EIS） 301
17.6.5 化学计量搜索法 303
17.6.6 极限电流法 304
17.6.7 循环伏安法 304
17.7 电流密度图 305
17.8 中子成像 305
17.9 燃料电池层表征 306
17.9.1 多孔性判定 306
17.9.2 BET表面积判定 306
17.9.3 透射电子显微镜（TEM） 307
17.9.4 扫描电子显微镜（SEM） 307
17.9.5 X射线衍射（XRD） 307
17.9.6 能谱分析（EDS） 307
17.9.7 X射线荧光（XRF） 307
17.9.8 电感耦合等离子体质谱分析（ICP-MS） 308
17.10 本章小结 308
17.11 思考题 308
17.12 参考文献 309
附录A 常数与换算 310
附录B 所选物质的热力学特性 311
附录C 所选物质的分子质量、气体常数与比热 312
附录D 不同温度下的气体比热 313
附录E 不同温度下饱和液态水的比热 314
附录F 不同温度下所选燃料电池反应物的热力学数据 315
附录G 所选燃料电池物质的二元扩散系数 322
附录H 产品设计规范 323
附录I 燃料电池设计要求与参数 324
索引 328