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第一部分引言5

第1章 燃料电池的工作原理5

1.1热力学方面5

1.1.1卡诺循环的限度5

1.1.2电化学能量转换5

1.2燃料电池单元的原理示意图7

1.2.1单体燃料电池7

1.2.2燃料电池电堆8

1.2.3基于燃料电池的电站9

1.3燃料电池的类型10

1.4真实燃料电池设计：液体电解质氢气—氧气燃料电池11

1.4.1气体电极11

1.4.2电化学反应12

1.4.3电极电势12

1.4.4单体燃料电池的电压13

1.5燃料电池的基本参数14

1.5.1工作电压14

1.5.2放电电流与放电功率14

1.5.3燃料电池的工作效率15

1.5.4热量的产生16

1.5.5比较燃料电池参数的方法16

1.5.6寿命17

1.5.7特殊操作要素17

参考文献18

第2章 燃料电池的悠久历史19

2.1 1894年以前的时期19

2.2 1894年至1960年期间20

2.3 1960年至20世纪90年代期间23

2.4 20世纪90年代以后的时期27

参考文献28

第二部分 燃料电池的主要类型33

第3章 质子交换膜燃料电池33

3.1 PEMFC的历史33

3.1.1 Nafion膜34

3.1.2 Pt催化剂的高效利用34

3.1.3膜电极集合体（膜电极）35

3.2 20世纪90年代以来标准形式的PEMFC36

3.2.1单体PEMFC36

3.2.2 PEMFC电堆37

3.2.3 PEMFC的工作条件38

3.2.4 PEMFC的电流—电压曲线38

3.3 PEMFC的工作特性39

3.3.1水管理39

3.3.2热管理40

3.3.3反应气体分压40

3.3.4环境温度的影响41

3.4氢气中痕量CO对Pt催化剂的毒化41

3.4.1通过电流脉冲和氧化剂促使CO氧化41

3.4.2 Pt-Ru催化剂的使用42

3.4.3较高的工作温度42

3.5 PEMFC相关的商业活动42

3.6 PEMFC未来的发展43

3.6.1较长的寿命44

3.6.2 PEMFC的成本估算46

3.6.3双极板47

3.7升温的PEMFC48

参考文献50

第4章 直接液体燃料电池52

4.1作为燃料电池燃料的甲醇52

4.2电流产生反应和热力学参数52

4.3甲醇的阳极氧化反应53

4.4 DMFC发展过程中的里程碑54

4.5电解质膜的甲醇渗透54

4.6 DMFC的种类56

4.6.1按反应物供给方式分类56

4.6.2按应用分类57

4.7 DMFC的工作特性57

4.7.1反应物供给和产物排出58

4.7.2 DMFC中水的管理58

4.7.3双极板流道内CO2的累积59

4.8 DMFC实际样机及其特征59

4.9未来DMFC需要解决的一些问题60

4.9.1延长寿命61

4.9.2提高效率61

4.9.3降低成本61

4.10甲醇替代问题62

4.11使用有机液体为燃料的燃料电池62

4.11.1直接乙醇燃料电池62

4.11.2直接甲酸燃料电池64

4.12使用无机液体为燃料的燃料电池66

4.12.1直接硼氢化物燃料电池66

4.12.2直接肼燃料电池67

参考文献68

第5章 磷酸燃料电池71

5.1磷酸燃料电池的早期工作71

5.2磷酸水溶液的特性72

5.3 PAFC的结构72

5.4 PAFC的商业化生产73

5.5大型固定电站的开发73

5.6 PAFC的未来74

5.7 PAFC对燃料电池发展的重要性75

参考文献75

第6章 碱性燃料电池76

6.1氢气—氧气AFC76

6.1.1 Bacon电堆77

6.1.2 Apollo宇宙飞船电堆77

6.1.3早期含有基体电解质的AFC78

6.1.4 Orbiter航天飞机电池78

6.1.5采用骨架型催化剂的AFC78

6.1.6使用碳电极的AFC79

6.1.7 AFC领域存在的一些问题79

6.1.8碱性燃料电池的工作现状与前景81

6.2碱性肼燃料电池82

6.3阴离子交换（氢氧根离子传导）膜84

6.4使用阴离子交换膜的甲醇燃料电池85

6.5采用恒定浓度碱性电解质的甲醇燃料电池86

参考文献86

第7章 熔融碳酸盐燃料电池87

7.1高温燃料电池的特点87

7.2氢气—氧气熔融碳酸盐燃料电池的结构87

7.3燃料内部重整的熔融碳酸盐燃料电池89

7.4熔融碳酸盐燃料电池的研究进展90

7.5熔融碳酸盐燃料电池的寿命91

参考文献93

第8章 固体氧化物燃料电池94

8.1传统的固体氧化物燃料电池的设计方案94

8.2管式SOFC96

8.2.1 Siemens-Westinghouse管式电池96

8.2.2其他管式电极的SOFC98

8.3平板式SOFC99

8.3.1密封100

8.3.2双极板100

8.3.3平板式SOFC中的应力100

8.4一体式SOFC101

8.5不同类型的SOFC102

8.5.1单腔体SOFC102

8.5.2直接火焰型SOFC102

8.5.3氨气SOFC103

8.6天然燃料在SOFC中的应用103

8.6.1利用天然燃料的方法103

8.6.2碳化问题104

8.6.3天然燃料中含硫化合物的问题104

8.7中温SOFC104

8.7.1降低SOFC运行温度所面临的问题104

8.7.2新型固体电解质105

8.7.3新型电极材料106

8.7.4 IT-SOFC原型样机107

8.8低温SOFC107

8.8.1薄膜LT-SOFC108

8.8.2复合电解质LT-SOFC108

8.9影响SOFC寿命的因素109

参考文献110

第9章 其他类型的燃料电池112

9.1氧化还原液流电池112

9.1.1铁—铬氧化还原液流电池112

9.1.2全钒氧化还原液流电池113

9.2生物燃料电池114

9.2.1酶生物燃料电池115

9.2.2细菌生物燃料电池116

9.3半燃料电池116

9.3.1金属—空气电池117

9.3.2镍—氢气二次电池117

9.4直接碳燃料电池118

9.4.1目的与前期工作118

9.4.2反应及热力学参数119

9.4.3 1960年之后有关碳燃料电池的工作119

参考文献121

第10章 燃料电池与电解过程123

10.1水电解123

10.1.1具有质子传导膜的电解池123

10.1.2高温电解池124

10.1.3储存电能的氢气—氧气系统124

10.1.4可逆的（组合的）PEMFC系统125

10.2氯—碱电解126

10.2.1氯—碱电解池中氧电极的问题127

10.2.2氢气—氯气燃料电池127

10.3电化学合成反应128

10.3.1含有二氧化碳的反应128

10.3.2燃料电池与化学联产129

参考文献130

第三部分 燃料电池科学和工程的内在问题133

第11章 燃料管理133

11.1天然燃料的重整133

11.1.1天然气（甲烷）134

11.1.2碳源135

11.1.3生物乙醇136

11.2用于独立电站的氢气生产136

11.2.1水的电解136

11.2.2用于独立电站的烃类重整137

11.2.3甲醇重整137

11.2.4由无机物制取氢气138

11.3工业氢气的净化138

11.3.1脱硫138

11.3.2一氧化碳净化138

11.4氢气的运输与存储140

11.4.1压缩氢气141

11.4.2液化氢气141

11.4.3金属氢化物141

11.4.4碳材料142

参考文献142

第12章 电催化作用144

12.1电催化的基本原理144

12.2电极上Pt催化剂的引入146

12.2.1溅射沉积147

12.2.2双离子束辅助沉积148

12.2.3电喷涂技术149

12.3铂催化剂载体149

12.3.1其他碳载体149

12.3.2过渡金属氧化物载体150

12.3.3导电聚合物基底上的铂纳米粒子150

12.4铂合金及其复合物作为阳极催化剂151

12.4.1改进Pt-Ru催化剂的工作151

12.4.2铂与其他金属的合金151

12.4.3复合的铂催化剂152

12.5用于燃料电池阳极的非铂催化剂153

12.6氧还原反应的电催化153

12.6.1氧电极的开路电势154

12.6.2提高铂催化剂对ORR的催化活性155

12.6.3非铂ORR催化剂156

12.6.4非贵金属ORR催化剂157

12.6.5双功能的氧催化剂157

12.7电催化剂的稳定性158

参考文献158

第13章 电解质膜161

13.1燃料电池相关的电解质膜问题161

13.2克服Nafiion膜降解的相关研究工作162

13.3 Nafiion膜的改性162

13.3.1在Nafiion膜水含量方面的改进162

13.3.2减少甲醇渗透163

13.4非氟聚合物电解质膜164

13.4.1基于聚苯并咪唑的电解质膜164

13.4.2基于聚醚醚酮的电解质膜164

13.5由其他材料制备的电解质膜165

13.6基体型电解质膜165

13.7氢氧根离子传导膜166

参考文献166

第14章 用于便携式设备的小型燃料电池168

14.1小型燃料电池的工作特性168

14.2平板式微型燃料电池电堆169

14.3硅基小型燃料电池171

14.4基于印制电路板的小型燃料电池172

14.5小型固体氧化物燃料电池173

14.6空气自吸式阴极的问题173

14.7小型燃料电池电源样机174

14.7.1电源的比性能指标174

14.7.2小型DMFC电源175

14.7.3小型PEMFC电源175

14.7.4小型重整制氢燃料电池176

14.8结束语176

参考文献177

第15章 燃料电池的数学建模178

15.1零维建模179

15.2一维建模179

15.3二维建模180

15.4三维建模181

15.5结束语181

参考文献182

第四部分 燃料电池的商业应用185

第16章 燃料电池的应用185

16.1大型固定电站185

16.1.1基本发展趋势185

16.1.2 混合电站187

16.2小型固定电站188

16.3交通运输应用的燃料电池190

16.3.1传统内燃机车辆的替代方案190

16.3.2燃料电池车实际应用存在的问题190

16.3.3燃料电池电动车的发展前景192

16.3.4燃料电池在其他运输工具中的应用193

16.4便携式设备194

16.4.1便携式设备电源194

16.4.2用于便携式设备的燃料电池开发工作196

16.5燃料电池的军事应用197

参考文献198

第17章 世界各国燃料电池的研究工作200

17.1燃料电池研究工作的推动力200

17.2燃料电池和氢能经济201

17.3北美的燃料电池工作203

17.4欧洲的燃料电池工作204

17.5其他国家的燃料电池工作204

17.6大量公开发表的燃料电池工作206

17.7燃料电池领域的法规和标准207

参考文献208

第18章 展望209

18.1希望与失望交替时期209

18.2某些错误的概念210

18.3理想的燃料电池211

18.4燃料电池的未来规划213

参考文献214

符号表215

缩写217