第1章 绪论 1
1.1 什么是燃料电池 1
1.2 燃料电池简史 3
1.3 燃料电池的类型 6
1.4 PEM燃料电池如何工作 7
1.5 为何需要燃料电池 9
1.6 燃料电池的应用 10
参考文献 12
第2章 燃料电池化学和热力学基础 13
2.1 基本反应 13
2.2 反应热 13
2.3 氢的高热值和低热值 14
2.4 理论电功 15
2.5 燃料电池的理论电势 15
2.6 温度效应 16
2.7 燃料电池的理论效率 18
2.8 卡诺效率的神话 19
2.9 压力效应 21
2.10 小结 22
问题 22
测验 23
参考文献 24
第3章 燃料电池的电化学 25
3.1 电极反应动力学 25
3.1.1 反应速率 25
3.1.2 反应常数：转移系数 26
3.1.3 电流与电位的关系：巴特勒-沃尔默方程 27
3.1.4 交换电流密度 28
3.2 电压损耗 28
3.2.1 活化极化 29
3.2.2 内部电流和渗透损耗 31
3.2.3 电阻（欧姆）损耗 32
3.2.4 浓度极化 34
3.3 电池电势：极化曲线 35
3.4 燃料电池的电势分布 37
3.5 极化曲线的参数灵敏度 37
3.5.1 转移系数／塔菲尔斜率的影响 38
3.5.2 交换电流密度的影响 39
3.5.3 氢渗透和内部电流损耗的影响 40
3.5.4 内阻的影响 41
3.5.5 极限电流密度的影响 41
3.5.6 工作压力的影响 42
3.5.7 空气与氧气对比 43
3.5.8 工作温度的影响 43
3.6 燃料电池效率 44
3.7 燃料电池极化曲线的含义和用途 45
3.7.1 由极化曲线得到的其他曲线 45
3.7.2 极化曲线的线性近似 47
3.7.3 利用极化曲线改变燃料电池的尺寸 48
问题 51
测验 52
参考文献 54
第4章 电池主要部件、材料特性和过程 55
4.1 电池描述 55
4.2 膜 56
4.2.1 吸水性 57
4.2.2 物理特性 58
4.2.3 质子电导率 60
4.2.4 水传输 61
4.2.5 气体渗透 65
4.2.6 高温膜 67
4.3 电极 68
4.4 气体扩散层 72
4.4.1 处理和涂层 73
4.4.2 孔隙度 75
4.4.3 电导率 75
4.4.4 可压缩性 75
4.4.5 渗透性 75
4.5 双极板 76
4.5.1 材料 77
4.5.2 特性 78
问题 82
测验 82
参考文献 84
第5章 燃料电池的工作条件 87
5.1 工作压力 87
5.2 工作温度 89
5.3 反应物流量 91
5.4 反应物湿度 95
5.5 燃料电池的质量平衡 105
5.5.1 入口流量 106
5.5.2 出口流量 107
5.6 燃料电池的能量平衡 109
问题 113
测验 114
参考文献 115
第6章 电池组设计 116
6.1 燃料电池组的尺寸 116
6.2 电池组结构 119
6.3 反应物对各电池单元均匀分布 122
6.4 反应物在电池单元内部均匀分布 126
6.4.1 流场形状 126
6.4.2 流场朝向 127
6.4.3 通道结构 128
6.4.4 通道形状、尺寸和间距 130
6.4.5 流场压降 132
6.5 燃料电池组散热 137
6.5.1 电池组的热平衡 138
6.5.2 热传导 139
6.5.3 主动散热 142
6.5.4 通过自然对流和辐射的电池组散热 146
6.5.5 电池组冷却的备选方法 147
6.6 电池组夹紧结构 151
问题 153
测验 154
参考文献 155
第7章 燃料电池建模 158
7.1 理论和控制方程 159
7.1.1 质量守恒 159
7.1.2 动量守恒 160
7.1.3 能量守恒 160
7.1.4 组分守恒 162
7.1.5 电荷守恒 163
7.2 建模域 164
7.3 建模示例 166
7.3.1 通过膜的一维模型 166
7.3.2 一维催化剂层模型 170
7.3.3 二维通道上方模型 173
7.3.4 沿通道的二维模型 174
7.3.5 三维模型 179
7.3.6 通过气体扩散层模型／孔隙网络模型 181
7.4 小结 185
问题 185
测验 185
参考文献 187
第8章 燃料电池故障诊断 189
8.1 电化学技术 190
8.1.1 极化曲线 190
8.1.2 电流中断 191
8.1.3 电化学阻抗光谱学 193
8.1.4 其他电化学方法 197
8.2 物理和化学方法 200
8.2.1 组分分布映射 200
8.2.2 温度分布 205
8.2.3 电流分布映射 206
8.3 小结 208
问题 209
测验 209
参考文献 210
第9章 燃料电池系统设计 216
9.1 氢／氧系统 216
9.1.1 氧供应 216
9.1.2 氢供应 219
9.1.3 水／热处理：系统集成 222
9.2 氢／空气系统 223
9.2.1 空气供应 223
9.2.2 被动式空气供应 228
9.2.3 氢供应 229
9.2.4 增湿方案 230
9.2.5 水／热处理：系统集成 233
9.3 具有燃料处理器的燃料电池系统 237
9.3.1 基本过程和反应 237
9.3.2 蒸汽重组 239
9.3.3 部分氧化和自热重组 241
9.3.4 重组对燃料电池性能的影响 246
9.3.5 系统集成 249
9.4 电气子系统 255
9.5 系统效率 259
问题 262
测验 263
参考文献 264
第10章 燃料电池的应用 266
10.1 交通运输应用 266
10.1.1 汽车 266
10.1.2 公共汽车 275
10.1.3 多用途汽车 278
10.1.4 摩托车和自行车 279
10.2 固定电源 279
10.2.1 固定式燃料电池系统的分类 281
10.2.2 系统结构 282
10.2.3 整个燃料电池系统的效率 284
10.2.4 燃料电池系统的经济性 285
10.3 备用电源 294
10.4 用于小型便携式电源的燃料电池 297
10.5 可再生燃料电池及其应用 300
10.5.1 折中设计 300
10.5.2 可再生燃料电池的应用 302
问题 304
测验 305
参考文献 306
第11章 聚合物电解质燃料电池的耐久性 309
11.1 简介 309
11.2 本章主要内容与组织结构 310
11.3 性能损失的类型 310
11.3.1 极化变化曲线的关键极限情况 311
11.3.2 实际极化变化曲线分析 312
11.4 与不同类型的损失有关的PEFC组件 313
11.4.1 催化活性损失 314
11.4.2 欧姆损失 315
11.4.3 反应物质量传输损失 315
11.4.4 向外泄漏、反应物渗透和电气短路 316
11.5 工作条件 316
11.5.1 电势需求 317
11.5.2 温度 323
11.5.3 电解质和湿度 323
11.6 加速测试方法 325
11.7 小结和未来展望 327
致谢 328
参考文献 328
第12章 未来的燃料电池和氢 330
12.1 简介 330
12.2 氢燃料简史 330
12.3 氢能源技术 332
12.3.1 制氢技术 332
12.3.2 储氢技术 334
12.3.3 运输和分配技术 336
12.3.4 氢能利用技术 337
12.3.5 氢作为燃料的安全性 338
12.4 目前的全球能源系统是否可持续 341
12.5 未来预测 344
12.6 未来可持续能源系统 348
12.7 氢过渡或“负氢经济” 351
12.8 未来能源革命 353
12.9 小结 354
参考文献 355