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第1章 燃料电池概述1

1.1 燃料电池的发展历史1

1.1.1 燃料电池早期的发展1

1.1.2 几种燃料电池的发展历史3

1.1.3 燃料电池的著名人物7

1.1.4 燃料电池发展里程碑10

1.2 电化学原理11

1.2.1 基本原理11

1.2.2 燃料电池的热力学12

1.2.3 燃料电池的动力学15

1.2.4 燃料电池效率19

1.3 燃料电池的类型21

1.3.1 碱性燃料电池21

1.3.2 磷酸燃料电池22

1.3.3 熔融碳酸盐燃料电池23

1.3.4 质子交换膜燃料电池25

1.3.5 固体氧化物燃料电池27

1.3.6 几种特殊类型的燃料电池29

参考文献31

第2章 质子交换膜燃料电池33

2.1 质子交换膜燃料电池双极板33

2.1.1 双极板的功能和特点33

2.1.2 双极板流场形式33

2.1.3 双极板的种类39

2.1.4 总结与展望45

2.1节参考文献46

2.2 质子交换膜47

2.2.1 概述47

2.2.2 全氟型磺酸膜及其质子交换膜燃料电池技术现状48

2.2.3 全氟型磺酸膜的改性51

2.2.4 非全氟型磺酸膜及其复合膜56

2.2.5 酸碱高分子膜66

2.2.6 高温质子交换膜燃料电池实验69

2.2节参考文献73

2.3 质子交换膜燃料电池电催化剂82

2.3.1 概述82

2.3.2 电催化剂的制备方法83

2.3.3 电催化剂的表征方法86

2.3.4 质子交换膜燃料电池的阳极催化剂90

2.3.5 质子交换膜燃料电池的阴极催化剂105

2.3.6 展望113

2.3节参考文献114

2.4 膜电极的制备技术117

2.4.1 概述117

2.4.2 气体扩散层材料119

2.4.3 膜电极的制备129

2.4.4 薄层膜电极的制备135

2.4.5 结论138

2.4节参考文献138

2.5 质子交换膜燃料电池的性能特性140

2.5.1 理论电压140

2.5.2 能量转换效率142

2.5.3 电性能143

2.5.4 温度特性144

2.5.5 压力特性146

2.5.6 CO的影响147

2.5.7 寿命148

2.5.8 电堆性能特性149

2.5.9 性能挑战151

2.5节参考文献153

2.6 质子交换膜燃料电池模型概述154

2.6.1 电化学模型154

2.6.2 质量传递模型157

2.6.3 传热传质模型163

2.6节参考文献167

2.7 质子交换膜燃料电池发电系统设计170

2.7.1 燃料电池系统构成与技术要求170

2.7.2 空气供给系统172

2.7.3 氢源及供给系统173

2.7.4 加湿系统178

2.7.5 冷却系统180

2.7.6 控制系统181

2.7节参考文献181

第3章 碱性燃料电池183

3.1 概述183

3.1.1 发展历史183

3.1.2 工作原理184

3.2 电池结构184

3.2.1 电极184

3.2.2 电解质186

3.2.3 排水方法186

3.2.4 CO2毒化问题187

3.3 碱性燃料电池与质子交换膜燃料电池的比较187

3.4 碱性燃料电池的应用189

参考文献192

第4章 磷酸型燃料电池194

4.1 发电原理194

4.2 特点与工作条件194

4.2.1 特点194

4.2.2 工作条件195

4.3 工作条件对电池性能的影响195

4.3.1 工作压力的影响195

4.3.2 工作温度的影响196

4.3.3 燃料的影响196

4.3.4 氧化剂组成和利用率的影响198

4.4 磷酸型燃料电池系统基本组成198

4.4.1 燃料电池本体198

4.4.2 燃料转化装置199

4.4.3 热量管理单元200

4.4.4 系统控制单元202

4.5 磷酸型燃料电池关键材料204

4.5.1 电催化剂204

4.5.2 三相电极作用原理与电极结构205

4.5.3 电解质与隔膜208

4.5.4 双极板209

4.6 磷酸型燃料电池技术的现状与未来209

参考文献210

第5章 直接醇类燃料电池212

5.1 工作原理212

5.2 基本结构213

5.3 直接醇类燃料电池的研发概况213

5.3.1 氢作燃料的不安全性213

5.3.2 直接醇类燃料电池的发展概况214

5.3.3 直接醇类燃料电池还存在的问题216

5.4 阳极催化剂217

5.4.1 甲醇氧化的机理研究217

5.4.2 Pt基阳极催化剂218

5.4.3 非金属催化剂222

5.4.4 影响催化剂电催化性能的结构因素222

5.4.5 催化剂的制备方法223

5.5 阴极催化剂225

5.5.1 Pt基复合催化剂225

5.5.2 过渡金属大环化合物催化剂226

5.5.3 Chevrel相催化剂227

5.5.4 过渡金属硫化物催化剂227

5.5.5 过渡金属羰基化合物催化剂228

5.5.6 其他类型催化剂228

5.6 质子交换膜228

5.6.1 改性Nafion膜228

5.6.2 聚四氟乙烯为基底的复合膜230

5.6.3 无机化合物-聚合物复合膜230

5.6.4 接枝膜231

5.6.5 非氟均聚膜232

5.6.6 共混膜233

5.7 甲醇替代燃料233

5.7.1 乙醇233

5.7.2 其他小分子醇235

5.7.3 甲酸236

5.7.4 其他甲醇替代燃料237

5.8 直接醇类燃料电池结构238

5.9 商业化前景241

参考文献241

第6章 熔融碳酸盐燃料电池252

6.1 熔融碳酸盐燃料电池的工作原理252

6.1.1 熔融碳酸盐燃料电池的原理252

6.1.2 熔融碳酸盐燃料电池的技术特点253

6.2 熔融碳酸盐燃料电池的技术现状253

6.2.1 国外熔融碳酸盐燃料电池的技术现状253

6.2.2 国内熔融碳酸盐燃料电池的技术现状256

6.3 熔融碳酸盐燃料电池的关键材料及制备257

6.3.1 熔融碳酸盐燃料电池隔膜的材料257

6.3.2 熔融碳酸盐燃料电池隔膜的制备258

6.3.3 熔融碳酸盐燃料电池隔膜的性能258

6.3.4 熔融碳酸盐燃料电池电极的材料和制备259

6.3.5 熔融碳酸盐燃料电池双极板材料和制备260

6.4 熔融碳酸盐燃料电池结构260

6.4.1 熔融碳酸盐燃料电池单电池结构260

6.4.2 熔融碳酸盐电池组结构261

6.4.3 熔融碳酸盐发电系统结构261

6.5 熔融碳酸盐燃料电池的制备和运行262

6.5.1 熔融碳酸盐燃料电池测试系统262

6.5.2 熔融碳酸盐燃料电池现场烧结262

6.5.3 熔融碳酸盐燃料电池的性能263

6.5.4 熔融碳酸盐燃料电池的运行263

6.6 熔融碳酸盐燃料电池电站264

6.6.1 天然气熔融碳酸盐燃料电池电站的构成264

6.6.2 煤气化熔融碳酸盐燃料电池、燃气轮机、汽轮机联合发电厂264

6.7 影响熔融碳酸盐燃料电池性能和寿命的主要因素分析266

6.7.1 温度的影响267

6.7.2 压力的影响267

6.7.3 反应气体组分和利用率的影响269

6.7.4 电流密度的影响269

6.7.5 电解质的成分和电解质板结构270

6.7.6 气体中杂质的影响270

6.7.7 熔融碳酸盐燃料电池设计时的几条原则271

6.8 熔融碳酸盐燃料电池技术开发重点及主要课题272

参考文献273

第7章 固体氧化物燃料电池275

7.1 固体氧化物燃料电池关键材料275

7.1.1 电解质276

7.1.2 阴极287

7.1.3 阳极293

7.1.4 连接材料301

7.1.5 致密电解质薄膜的制备技术301

7.1节参考文献303

7.2 新型中、低温氧化物／陶瓷燃料电池的材料研发305

7.2.1 质子在含氧酸盐中的传导305

7.2.2 具有NaCl结构盐和其复合陶瓷中的质子传导307

7.2.3 氟化物结构盐及其复合陶瓷308

7.2.4 卤化盐中质子和氧离子电导产生的缺陷化学311

7.2.5 氧化铈基的复合材料312

7.2.6 钙钛矿氧化物-盐（或氧化物）的复合电解质体系321

7.2.7 纳米结构的薄膜复合材料324

7.2.8 氧化铈（搀杂氧化铈）-金属的复合材料325

7.2.9 氧化铈中氢／质子相关的缺陷化学327

7.2.10 离子在氧化铈基复合材料中的传导和增强机制328

7.2.11 基于现有复合材料研究的启发和其他尝试330

7.2.12 电池的材料方案以及质子和氧离子共传导材料331

7.2节参考文献333

7.3 低温固体氧化物燃料电池的发展方向335

7.3.1 引言335

7.3.2 电解质材料336

7.3.3 阳极材料341

7.3.4 阴极材料342

7.3.5 封接材料343

7.3.6 单电池与电堆345

7.3节参考文献347

第8章 金属／空气燃料电池350

8.1 概述350

8.1.1 工作原理350

8.1.2 金属／空气燃料电池的特点351

8.1.3 研究历史352

8.2 锌负极353

8.2.1 锌负极的电化学反应353

8.2.2 影响碱性锌电极性能的因素354

8.2.3 锌／空气（燃料）电池中锌负极的特殊性356

8.2.4 锌电极的形态357

8.3 铝负极358

8.3.1 铝负极的特征358

8.3.2 铝合金负极359

8.3.3 电解质及添加剂360

8.4 碱性空气电极360

8.4.1 碱性介质中的氧还原催化剂361

8.4.2 空气电极的结构363

8.4.3 空气电极的制备工艺363

8.5 电解质364

8.5.1 液态电解质365

8.5.2 碱性聚合物电解质365

8.5.3 离子液体电解质体系368

8.6 金属／空气燃料电池的结构设计与应用369

8.6.1 负极可更换的锌／空气燃料电池369

8.6.2 可现场加注燃料的锌／空气燃料电池371

参考文献372

第9章 燃料电池的应用与前景375

9.1 燃料电池应用概述375

9.2 便携式电源376

9.2.1 便携式系统对于电源的要求377

9.2.2 轻便电源378

9.2.3 笔记本电脑电源382

9.2.4 手机、数码摄像机、PDA电源384

9.2.5 微型燃料电池前景预测388

9.3 燃料电池电动车388

9.3.1 电动车的发展历史388

9.3.2 燃料电池公共汽车390

9.3.3 燃料电池轿车397

9.3.4 燃料电池轻便车辆405

9.3.5 燃料电池特种车辆408

9.4 燃料电池电站410

9.4.1 燃料电池电站概况410

9.4.2 碱性燃料电池电站413

9.4.3 磷酸燃料电池电站413

9.4.4 质子交换膜燃料电池电站414

9.4.5 熔融碳酸盐燃料电池电站416

9.4.6 固体氧化物燃料电池电站418

9.5 燃料电池舰艇与飞机419

9.5.1 燃料电池潜艇419

9.5.2 水面船只421

9.5.3 燃料电池飞机422

参考文献424