燃料電池技術(shù)

燃料電池作為繼火電、水電、核電之后的第四代發(fā)電方式，被譽(yù)為21世紀(jì)清潔、高效的動(dòng)力源，受到人們廣泛的關(guān)注，燃料電池技術(shù)也在飛速地發(fā)展。

本書詳細(xì)分析論述了燃料電池氫源技術(shù)、各種類型燃料電池的關(guān)鍵技術(shù)、發(fā)展現(xiàn)狀與前景以及燃料電池電能輸出技術(shù)。本書既在基本原理方面做了深入介紹，又總結(jié)了許多實(shí)踐方面的經(jīng)驗(yàn)；既突出了目前國(guó)際上發(fā)展迅速的質(zhì)子交換膜燃料電池、甲醇燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池與固體氧化物燃料電池等幾種燃料電池技術(shù)，又突出了制氫技術(shù)作為燃料電池發(fā)電方式基礎(chǔ)的重要性以及電能輸出的技術(shù)特點(diǎn)，同時(shí)還反映了近年來(lái)燃料電池技術(shù)的最新科技成果與未來(lái)發(fā)展方向。

本書既可作為從事燃料電池技術(shù)開發(fā)與研究的專業(yè)教師與研究人員的參考和指導(dǎo)用書，也可作為燃料電池技術(shù)愛好者的自學(xué)教材。

肖鋼，男，1961年生，1984年畢業(yè)于東北大學(xué)。1992年獲得丹麥技術(shù)大學(xué)博士學(xué)位。 20世紀(jì)80年代開始燃料電池的研究，在燃料電池催化劑、新型電解質(zhì)、膜電極制備、燃料重整制氫及電池系統(tǒng)集成方面具有豐富經(jīng)驗(yàn)。他曾多年任教于丹麥技術(shù)大學(xué)；在北歐曾參與磷酸型、熔融碳酸鹽型及質(zhì)子交換膜型燃料電池的研發(fā)工作及國(guó)際合作項(xiàng)目；作為主要參與人與丹麥哈爾杜·托普索公司在化石能源催化轉(zhuǎn)化技術(shù)、燃料電池技術(shù)及工業(yè)尾氣提氫方面進(jìn)行過長(zhǎng)期合作并曾受聘于該公司；他曾參與通用汽車公司高溫及改性質(zhì)子交換膜燃料電池的研發(fā)項(xiàng)目。 　他在化石能源的高效轉(zhuǎn)化利用方面頗有建樹，特別是在天然氣（非合成氣法）直接轉(zhuǎn)化制甲醇及二甲醚、煤的轉(zhuǎn)化利用等領(lǐng)域具有一定成果。 　 他現(xiàn)任國(guó)際催化學(xué)會(huì)聯(lián)盟（IACS）會(huì)員，國(guó)際氫能學(xué)會(huì)（IAHE）會(huì)員，國(guó)際太陽(yáng)能學(xué)會(huì)（ISES）會(huì)員，中國(guó)《煤炭轉(zhuǎn)化》雜志理事會(huì)常務(wù)理事代表，北京市重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)知識(shí)產(chǎn)權(quán)聯(lián)盟特聘專家，西北大學(xué)客座教授，沈陽(yáng)化工學(xué)院客座教授。作為主要發(fā)明人的國(guó)際及中國(guó)受理專利180余項(xiàng)。

作　者：肖鋼　著

出 版 社：電子工業(yè)出版社

出版時(shí)間：2009-1-1

版　次：1頁(yè)　數(shù)：248字　數(shù)：375200 印刷時(shí)間：2009-1-1開　本：16開紙　張：膠版

編輯推薦

本書作者具有20余年的燃料電池研究經(jīng)歷，對(duì)磷酸燃料電池、質(zhì)子交換膜燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池以及固體氧化物燃料電池都有廣泛的涉獵與獨(dú)特的見解?？梢哉f(shuō)本書是作者多年研究結(jié)果的匯總，同時(shí)作者也收集了大量國(guó)內(nèi)外最新研究成果與信息，希望展示給讀者的是一本全面而新鮮的燃料電池技術(shù)讀物。本書在介紹燃料電池的歷史與發(fā)展的基礎(chǔ)上，分析了各類燃料電池的特點(diǎn)，闡述了燃料電池的熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)原理和現(xiàn)代燃料電池研究方法。詳細(xì)介紹了燃料電池的燃料與氧化劑的供給，其中重點(diǎn)論述了氫源技術(shù)。還分別介紹了幾種不同類型燃料電池的工作特性與應(yīng)用范圍，給讀者展示出多種燃料電池的原理與發(fā)展動(dòng)向。

第1章 燃料電池簡(jiǎn)介

1.1 燃料電池簡(jiǎn)史

1.1.1 燃料電池啟蒙階段

1.1.2 燃料電池現(xiàn)代發(fā)展階段

1.2 燃料電池基本原理

1.3 燃料電池系統(tǒng)

1.3.1 燃料處理系統(tǒng)

1.3.2 排熱回收系統(tǒng)

1.4 燃料電池特性

1.4.1 良好的環(huán)境相容性

1.4.2 良好的操作性能

1.4.3 靈活可靠的輸出性能

1.4.4 靈活的結(jié)構(gòu)特性

1.4.5 燃料電池存在的問題

1.5 燃料電池分類

1.5.1 堿性燃料電池

1.5.2 質(zhì)子交換膜燃料電池

1.5.3 直接甲醇燃料電池

1.5.4 磷酸燃料電池

1.5.5 熔融碳酸鹽燃料電池

1.5.6 固體氧化物燃料電池

1.6 其他類型燃料電池

1.6.1 再生型燃料電池

1.6.2 鋅空燃料電池

1.6.3 生物燃料電池

參考文獻(xiàn)

第2章 燃料電池基礎(chǔ)理論與研究方法

2.1 燃料電池中的化學(xué)熱力學(xué)

2.1.1 化學(xué)熱力學(xué)基礎(chǔ)

2.1.2 氣體壓力、濃度和溫度對(duì)電極電勢(shì)的影響

2.1.3 燃料電池的效率

2.2 燃料電池中的電極反應(yīng)動(dòng)力學(xué)[2～5]

2.2.1 燃料電池的不可逆性——電壓降

2.2.2 Butler-Volmer方程

2.2.3 活化損失

2.2.4 傳質(zhì)損失

2.2.5 歐姆損失

2.2.6 燃料電池的滲透及內(nèi)電流

2.3 電催化理論簡(jiǎn)介

2.3.1 析氫反應(yīng)和氫氧化反應(yīng)機(jī)理

2.3.2 氧的還原反應(yīng)

2.3.3 甲醇電催化氧化原理

2.4 燃料電池的傳質(zhì)

2.5 燃料電池表征方法

2.5.1 催化劑相關(guān)表征方法

2.5.2 燃料電池測(cè)試系統(tǒng)

2.5.3 燃料電池各種損失的表征方法

參考文獻(xiàn)

第3章 燃料電池的燃料與氧化劑供應(yīng)

3.1 化石燃料

3.1.1 石油

3.1.2 低硫輕質(zhì)石油及液化石油氣

3.1.3 天然氣

3.1.4 煤和煤氣

3.2 生物燃料

3.3 氫

3.3.1 氫的制取

3.3.2 氫燃料的純化

3.3.3 氫的貯存

3.3.4 氫的運(yùn)輸和加注

3.3.5 氫的安全性

3.4 燃料電池氧化劑的供應(yīng)

3.4.1 壓縮機(jī)類型

3.4.2 壓縮機(jī)供氣量和壓縮機(jī)的選擇

參考文獻(xiàn)

第4章 堿性燃料電池

4.1 引言

4.2 工作原理

4.3 電催化劑與電極

4.3.1 電催化劑

4.3.2 電極結(jié)構(gòu)與制備工藝

4.4 電解質(zhì)

4.5 AFC性能的影響因素和存在的問題

4.5.1 操作壓力

4.5.2 操作溫度

4.5.3 電解質(zhì)濃度

4.5.4 CO2的毒化問題

4.5.5 排水方法

參考文獻(xiàn)

第5章 質(zhì)子交換膜燃料電池

5.1 引言

5.2 PEMFC的特征

5.2.1 能量轉(zhuǎn)換效率

5.2.2 溫度特性

5.2.3 壓力特性

5.2.4 CO的影響

5.2.5 壽命

5.2.6 電池及電堆性能特征描述

5.3 質(zhì)子交換膜

5.3.1 概述

5.3.2 全氟磺酸膜

5.3.3 非全氟磺酸膜

5.3.4 耐熱型質(zhì)子交換膜

5.3.5 質(zhì)子交換膜發(fā)展方向

5.4 電催化劑

5.4.1 電催化劑的技術(shù)指標(biāo)與選擇原則

5.4.2 陽(yáng)極催化劑及其發(fā)展趨勢(shì)

5.4.3 陰極催化劑

5.4.4 電催化劑的制備方法

5.5 電極

5.5.1 氣體擴(kuò)散層

5.5.2 催化層

5.5.3 膜電極“三合一”組件的制備

5.6 雙極板及流場(chǎng)設(shè)計(jì)

5.6.1 雙極板的功能和特點(diǎn)

5.6.2 雙極板種類及其特征

5.6.3 流場(chǎng)形式及特征

5.6.4 雙極板及流場(chǎng)設(shè)計(jì)發(fā)展展望

5.7 PEMFC系統(tǒng)

5.7.1 單電池與電堆

5.7.2 PEMFC加濕單元

5.7.3 PEMFC供氣單元

5.7.4 PEMFC電源系統(tǒng)集成與運(yùn)行管理

5.8 PEMFC的應(yīng)用

5.8.1 小型定置發(fā)電系統(tǒng)

5.8.2 運(yùn)輸工具

5.8.3 便攜式電源

5.9 可再生燃料電池（RFC）

參考文獻(xiàn)

第6章 直接甲醇燃料電池

6.1 引言

6.2 DMFC的工作原理

6.2.1 DMFC電極反應(yīng)

6.2.2 甲醇電催化氧化原理及影響因素

6.3 DMFC陰陽(yáng)極催化劑及質(zhì)子交換膜

6.3.1 DMFC陰極催化劑

6.3.2 DMFC陽(yáng)極催化劑

6.3.3 DMFC質(zhì)子交換膜

6.4 DMFC及其性能影響因素分析

6.4.1 DMFC的組成與結(jié)構(gòu)

6.4.2 DMFC工作條件和進(jìn)料方式

6.4.3 DMFC的功率范圍及限制因素

6.5 DMFC系統(tǒng)的應(yīng)用發(fā)展

參考文獻(xiàn)

第7章 磷酸燃料電池

7.1 引言

7.2 PAFC工作原理與特性

7.2.1 工作原理

7.2.2 PAFC特性

7.3 PAFC組成材料

7.3.1 電解質(zhì)與載體

7.3.2 催化劑

7.3.3 雙極板

7.4 PAFC結(jié)構(gòu)

7.4.1 電極結(jié)構(gòu)及制備工藝

7.4.2 單電池與電池堆

7.5 影響PAFC性能的因素

7.5.1 壓力

7.5.2 溫度

7.5.3 燃料組成及利用率

7.5.4 氧化劑組成及利用率

7.6 技術(shù)開發(fā)重點(diǎn)

參考文獻(xiàn)

第8章 熔融碳酸鹽燃料電池

8.1 MCFC工作原理

8.2 熔融碳酸鹽燃料電池材料

8.2.1 陽(yáng)極材料

8.2.2 陰極材料

8.2.3 基體材料

8.3 影響熔融碳酸鹽燃料電池性能的因素

8.3.1 壓力的影響

8.3.2 溫度的影響

8.3.3 反應(yīng)氣體組分和利用率的影響

8.4 熔融碳酸鹽燃料電池的應(yīng)用與發(fā)展

參考文獻(xiàn)

第9章 固體氧化物燃料電池

9.1 歷史

9.2 SOFC的工作原理

9.3 SOFC技術(shù)和應(yīng)用

9.4 SOFC材料

9.4.1 固體電解質(zhì)材料

9.4.2 陽(yáng)極材料

9.4.3 陰極材料

9.4.4 連接材料

9.5 SOFC的制備工藝

9.5.1 物理法

9.5.2 化學(xué)法

9.5.3 陶瓷成型法

9.6 SOFC的電堆結(jié)構(gòu)

9.6.1 管狀設(shè)計(jì)

9.6.2 平板式設(shè)計(jì)

9.6.3 合并的平板式SOFC和平管高功率密度設(shè)計(jì)

9.7 燃料和燃料的處理

9.7.1 內(nèi)部重整

9.7.2 碳?xì)淙剂系闹苯友趸?

參考文獻(xiàn)

第10章 燃料電池的電能輸出

10.1 引言

10.2 線性電源電路

10.3 開關(guān)電源主要元、器件

10.3.1 高頻二極管

10.3.2 功率場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）

10.3.3 磁路與磁性材料

10.3.4 電感

10.3.5 變壓器

10.4 Buck開關(guān)調(diào)整器

10.5 Boost開關(guān)調(diào)整器

10.5.1 Boost開關(guān)調(diào)整器的工作原理

10.5.2 燃料電池輔助電源用鋰電池選擇實(shí)例

10.6 Cuk開關(guān)調(diào)整器

10.7 Sepic開關(guān)調(diào)整器

10.7.1 Sepic開關(guān)調(diào)整器的工作原理

10.7.2 10 W燃料電池電壓變換實(shí)例

10.8 單端正激變換器

10.9 推挽型變換器

10.10 全橋變換器

10.11 開關(guān)電源的控制原理

10.12 800 W燃料電池DC/DC變換器實(shí)例

參考文獻(xiàn)

結(jié)束語(yǔ)

從電解質(zhì)所使用的材料看，已發(fā)展了三代：第一代為磷酸鹽型，發(fā)電效率達(dá)40%～50%，工作溫度為150～200℃，有可能實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的就屬于這種類型，日本已建成世界上最大功率為1.1萬(wàn)千瓦磷酸型水冷式燃料電池，但它有排熱溫度低的缺點(diǎn);第二代為熔化碳酸鹽型，發(fā)電效率達(dá)45%～55%，工作溫度為600～700℃，對(duì)利用余熱也有利，但需要解決耐電解質(zhì)腐蝕的材料問題;第三代為固體電解質(zhì)型(如氧化鋯燃料電池)，發(fā)電效率可高達(dá)50%～60%，工作溫度高達(dá)1000℃，有利于綜合利用熱能，但材料技術(shù)仍然是大規(guī)模發(fā)展的障礙之一。已研究過的燃料，除氫氣外，還有一氧化碳、甲醇、氨、甲烷、丙烷等。為尋求高性能的激活反應(yīng)物質(zhì)(催化劑)和耐高溫腐蝕的電極材料以及減少熱損失和改善化工技術(shù)等，科學(xué)家們正在深入地進(jìn)行基礎(chǔ)研究。該發(fā)電裝置有廣泛的適應(yīng)性，不僅用在飛船和衛(wèi)星上，也可用在遠(yuǎn)離陸地的島嶼、高山上，還可用于賓館、飯店中。

第1篇 導(dǎo)論

第1章 綠色可再生能源工程

第2章 燃料電池系統(tǒng)

第3章 燃料

第2篇 基礎(chǔ)篇

第4章 能量及電池功率

第5章 材料導(dǎo)電原理

第6章 SOFC材料熱學(xué)性質(zhì)

第3篇 固體燃料電池

第7章 固體電解質(zhì)

第8章 SOFC電極

第9章 SOFC封裝

第10章 電池及電池組的設(shè)計(jì)

第11章 固體燃料電池的工藝技術(shù)

第12章 碳?xì)淙剂霞兓爸卣?

第4篇 電池測(cè)試及應(yīng)用

第13章 電池性質(zhì)測(cè)試

第14章 SOFC失效及異常診斷

第15章 定置型氣化及低碳發(fā)電

第16章 便攜式SOFC電源的應(yīng)用

索引