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目录1

第1章 绪论1

1.1 氢燃料电池基本原理1

1.2 是什么限制了电流4

1.3 把电池串联起来——双极板5

1.4 供气和冷却7

1.5 燃料电池的分类11

1.6 其他类型的电池13

1.6.1 生物燃料电池13

1.6.2 金属-空气电池13

1.6.3 氧化还原液流电池和可再生燃料电池14

1.7 燃料电池系统的其他部分15

1.8 比较各电池系统用的参数17

1.9 优点和应用18

参考文献19

第2章 效率和开路电压20

2.1 氢气燃料电池的能量和电动势（EMF）20

2.2 其他燃料电池和普通电池的开路电压23

2.3 效率和效率极限24

2.4 效率和燃料电池电压27

2.5 气体浓度和压力的影响28

2.5.1 能斯特公式28

2.5.2 氢气分压30

2.5.3 燃料和氧化剂的利用率31

2.5.4 系统压力31

2.5.5 应用——血液中酒精含量的测定32

2.6 总结33

参考文献34

第3章 燃料电池工作电压35

3.1 引言35

3.2 相关术语36

3.3 燃料电池的不可逆性——电压降的原因37

3.4 活化损失38

3.4.1 Tafel公式38

3.4.2 Tafel公式中的常量39

3.4.3 降低活化过电压42

3.4.4 活化过电压总结42

3.5 燃料穿透和内部短路电流43

3.6 欧姆损失45

3.7 传质与浓度损失46

3.8 不可逆性的综合考虑48

3.9 双电层49

3.10 区分各种不可逆性50

参考文献53

第4章 质子交换膜燃料电池（PEMFC）55

4.1 引言55

4.2 聚合物电解质是如何工作的57

4.3 电极和电极结构59

4.4 PEMFC的水管理62

4.4.1 总论62

4.4.2 空气流动和水蒸发64

4.4.3 PEMFC的空气湿度66

4.4.4 不经另外加湿的PEMFC操作68

4.4.5 外部加湿——原理70

4.4.6 外部加湿——方法72

4.5 PEMFC的冷却和空气供给74

4.5.1 阴极空气冷却法74

4.5.2 反应空气与冷却空气分离法75

4.5.3 PEMFC的水冷却法76

4.6 PEMFC的内部连接——双极板77

4.6.1 引言77

4.6.2 双极板上的流场形式78

4.6.3 制作PEMFC的双极板79

4.6.4 电池堆的其他布局方式82

4.7 操作压力84

4.7.1 概述84

4.7.2 高压操作性价比简单分析86

4.7.3 影响压力选择的其他因素89

4.8 反应物组成91

4.8.1 一氧化碳中毒91

4.8.2 甲醇和其他液体燃料92

4.8.3 用纯氧代替空气作为氧化剂92

4.9 系统实例93

4.9.1 12W的小型系统93

4.9.2 2kW的中型系统94

4.9.3 205kW的燃料电池发动机97

参考文献98

5.1.1 基本原理100

5.1.2 历史地位100

5.1 历史背景及综述100

第5章 碱性燃料电池100

5.1.3 主要优点101

5.2 碱性燃料电池的类型103

5.2.1 循环式电解质碱性燃料电池103

5.2.2 固定式电解质碱性燃料电池105

5.2.3 可溶解燃料碱性燃料电池106

5.3 工作压力和温度108

5.4 碱性电解质燃料电池的电极111

5.4.1 引言111

5.4.2 烧结镍双孔电极111

5.4.3 雷尼金属112

5.4.4 滚压电极112

5.5 电池的连接113

5.6 问题与改进114

参考文献115

第6章 直接甲醇燃料电池（DMFC）117

6.1 引言117

6.2 阳极反应和催化剂119

6.2.1 DMFC总反应119

6.2.2 碱性DMFC的阳极反应119

6.2.3 质子交换膜DMFC的阳极反应120

6.2.4 阳极燃料供给121

6.2.5 阳极催化剂122

6.3 电解质和燃料穿透123

6.3.1 燃料穿透是如何发生的123

6.3.2 降低燃料穿透的常规技术124

6.3.3 正在发展的抗燃料穿透技术125

6.4 阴极反应和催化剂126

6.5 甲醇的制备、储存和安全126

6.5.1 甲醇的制备126

6.5.2 甲醇的安全性127

6.5.3 甲醇与乙醇的比较129

6.5.4 甲醇的储存130

6.6 DMFC的应用130

参考文献133

第7章 中高温燃料电池136

7.1 引言136

7.2 一般特征137

7.2.1 燃料重整概述137

7.2.2 燃料利用率139

7.2.3 底循环140

7.2.4 热交换器的应用——放射本能和夹点技术145

7.3 磷酸燃料电池（PAFC）148

7.3.1 工作原理148

7.3.2 PAFC的工作性能151

7.3.3 PAFC的最新发展动态153

7.4.1 工作原理156

7.4 熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）156

7.4.2 使用熔融碳酸盐电解质的条件158

7.4.3 MCFC里的电池组件159

7.4.4 电池堆的配置与密封163

7.4.5 内部重整165

7.4.6 MCFC的工作性能166

7.4.7 实际应用的MCFC系统169

7.5 固体氧化物燃料电池（SOFC）174

7.5.1 工作原理174

7.5.2 SOFC电池组件176

7.5.3 SOFC的实际设计和电池堆布局180

7.5.4 SOFC的工作性能185

7.5.5 SOFC联合循环、新颖的系统设计和混合系统186

7.5.6 中温SOFC189

参考文献190

8.1 引言194

第8章 燃料电池的燃料供应194

8.2 化石燃料196

8.2.1 石油196

8.2.2 混合物中的石油：沥青砂、油页岩、气体水合物和液化石油气（LPG）198

8.2.3 煤和煤气198

8.2.4 天然气200

8.3 生物燃料201

8.4 燃料处理基础202

8.4.1 燃料电池对燃料的要求202

8.4.2 脱硫203

8.4.3 蒸汽重整204

8.4.4 碳的形成和预重整207

8.4.5 内部重整209

8.4.6 直接氧化碳氢化合物210

8.4.7 部分氧化和自热重整211

8.4.9 燃料进一步处理——除去一氧化碳212

8.4.8 碳氢化合物高温分解或热裂解制氢212

8.5 燃料处理系统的实际应用——固定式电源214

8.5.1 传统工业蒸汽重整214

8.5.2 蒸汽重整型PEMFC和PAFC电厂的天然气进料系统设计215

8.5.3 重整器和部分氧化反应器的设计217

8.6 燃料处理系统的实际应用——移动式应用224

8.6.1 概述224

8.6.2 车用甲醇重整工艺225

8.6.3 微型甲醇反应器227

8.6.4 汽油重整229

8.7 电解器230

8.7.1 电解器的操作230

8.7.2 电解器的应用231

8.7.3 电解器效率232

8.7.4 高压制氢232

8.7.5 光-电解233

8.8 生物制氢234

8.8.1 引言234

8.8.2 光合作用235

8.8.3 发酵工艺制氢236

8.9 贮氢Ⅰ——以氢的形式储存237

8.9.1 引言237

8.9.2 安全问题237

8.9.3 以压缩气体形式贮氢239

8.9.4 液态贮氢241

8.9.5 可逆金属氢化物贮氢243

8.9.6 碳纳米纤维245

8.9.7 贮氢方法的比较248

8.10 贮氢Ⅱ——化学方法249

8.10.1 引言249

8.10.2 甲醇250

8.10.3 碱金属氢化物251

8.10.4 硼氢化钠252

8.10.5 氨256

8.10.6 储存方法比较258

参考文献259

第9章 压缩机、涡轮机、喷射器、鼓风机、吹风机和泵263

9.1 引言263

9.2 压缩机——使用类型263

9.3 压缩机效率266

9.4 压缩机功率267

9.5 压缩机性能图268

9.6 离心式压缩机的性能图271

9.7 压缩机选择——实际问题272

9.8 涡轮机273

9.9 涡轮增压器276

9.10 喷射循环器276

9.11 鼓风机和吹风机277

9.12 隔膜泵或膜片泵279

参考文献280

第10章 燃料电池电力传输281

10.1 引言281

10.2 DC调节和电压转换282

10.2.1 开关装置282

10.2.2 开关调节器284

10.3 逆变器288

10.3.1 单相288

10.3.2 三相291

10.3.3 调整要点和费用292

10.3.4 功率因素校正295

10.4 电动机296

10.4.1 通常观点296

10.4.2 感应电动机297

10.4.3 无刷DC电动机299

10.4.4 开关磁阻电动机301

10.4.5 电动机效率303

10.4.6 电动机质量305

10.5 燃料电池／电池或电容混合系统306

参考文献310

第11章 燃料电池系统分析312

11.1 引言312

11.2 能量系统312

11.3 燃料生产到使用全程分析314

11.3.1 从油井到车轮的分析314

11.3.2 油井到油箱的分析315

11.3.3 通用汽车公司（GM）燃料生产到使用全程研究的主要结论316

11.4 动力链或驱动链分析318

11.5 实例系统Ⅰ——PEMFC动力公共汽车319

11.6.2 流程图和系统的初步设计324

11.6.1 引言324

11.6 实例系统Ⅱ——用天然气作为燃料的固定系统324

11.6.3 详细的工程设计328

11.6.4 进一步的系统分析329

11.7 结束语330

参考文献331

附录A 摩尔吉布斯自由能变的计算332

A.1 氢燃料电池332

A.2 一氧化碳燃料电池334

参考文献335

附录B 燃料电池相关公式336

B.1 引言336

B.2 氧气和空气的用量336

B.3 出口空气流速338

B.4 氢气的用量338

B.5 水的生成速率339

B.6 生成的热能339