燃料電池技術(shù)

前言

　　能源是人類維持和改善生活質(zhì)量不可或缺的保障，能源技術(shù)則是衡量一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展與人民生活水平的重要指標(biāo)。人類智慧和技術(shù)進(jìn)步為開發(fā)新能源，更加高效和環(huán)保地使用能源創(chuàng)造了機(jī)會(huì)。燃料電池是一種高效率且潔凈的新型發(fā)電裝置，將肩負(fù)起21世紀(jì)能源創(chuàng)新與突破的重大責(zé)任。　　追溯歷史我們知道，自1839年英國(guó)化學(xué)家William Grove發(fā)明燃料電池以來，燃料電池一直處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。直到20世紀(jì)60年代美國(guó)國(guó)家航空航天局把燃料電池作為航天器的動(dòng)力源，才使燃料電池得到進(jìn)一步發(fā)展。從20世紀(jì)90年代以來，隨著能源危機(jī)的日益嚴(yán)重，全世界越來越關(guān)注全球環(huán)境問題及“綠色”技術(shù)，燃料電池技術(shù)得到迅猛發(fā)展，成為公認(rèn)的繼火電、水電、核電之后的第四代大規(guī)模發(fā)電方式?！　‰S著燃料電池技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)燃料電池的興趣與日俱增。從化學(xué)到工程學(xué)甚至到戰(zhàn)略分析等各個(gè)行業(yè)，許多原本不太熟悉燃料電池技術(shù)的人們都意識(shí)到了解燃料電池的必要性。中國(guó)的燃料電池技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展與進(jìn)步，研究水平受到世界各國(guó)的重視。國(guó)內(nèi)越來越多的燃料電池研究者與愛好者迫切需要一個(gè)統(tǒng)一的、易懂的、最新的關(guān)于這項(xiàng)技術(shù)及其應(yīng)用的說明，這也正是本書的宗旨。燃料電池技術(shù)領(lǐng)域跨度大，其內(nèi)容涵蓋了物理、化學(xué)、機(jī)械、電機(jī)、材料、化工、控制、環(huán)保等多個(gè)學(xué)科，而本書的特色在于語言淺顯易懂，結(jié)構(gòu)新穎獨(dú)特，并結(jié)合生動(dòng)的圖表來說明燃料電池的原理與應(yīng)用，使不同學(xué)科背景的讀者都有可能融會(huì)貫通，從而進(jìn)入燃料電池的研究殿堂。　　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?！　”緯皟烧略诮榻B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。讀者只有很好地理解了這些基本原理，才能對(duì)燃料電池有一個(gè)清晰準(zhǔn)確的認(rèn)識(shí)。本書第3章詳細(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)。因?yàn)橐恢币詠砝_燃料電池發(fā)展的一個(gè)因素就是如何獲得可靠穩(wěn)定的氫源，只有解決好氫源問題，燃料電池的發(fā)展才能有穩(wěn)固的根基。接下來的4～9章，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10章突出燃料電池的應(yīng)用本質(zhì)——電能輸出，介紹了組成完整燃料電池系統(tǒng)需要的電學(xué)組件?！　∽髡咴谶@里要特別感謝喬治 A?奧拉（George A. Olah）教授（1994年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主、《跨越油氣時(shí)代：甲醇經(jīng)濟(jì)》一書作者），多年前他和比隆教授給予本書作者的指導(dǎo)奠定了作者涉入燃料電池及化石能源高效轉(zhuǎn)化領(lǐng)域的基礎(chǔ)?！　”緯谧珜戇^程中得到許多燃料電池界同仁與朋友的幫助，感謝英國(guó)Oxford Brookes University的James Larminie先生（《Fuel Cell Systems Explained》一書的作者）對(duì)本書的內(nèi)容構(gòu)思給予的指點(diǎn)；感謝日本松下電器FC事業(yè)開發(fā)室小原英夫先生與作者在燃料重整制氫和燃料電池家用分布式電站方面的技術(shù)交流；感謝德國(guó)Smart Fuel Cell公司的Jens Mueller先生在直接甲醇燃料電池方面與作者所進(jìn)行的有益的討論；感謝丹麥Risoe國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Mogens Mogensen先生、丹麥Haldor Topsoe（哈爾杜?托普索）公司的Christian Olsen先生和中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所的王紹榮先生在固體氧化物燃料電池方面所提供的很多寶貴信息；感謝作者的朋友侯曉峰先生和李生先生為本書燃料電池電能輸出部分的撰寫所給予的專業(yè)指導(dǎo)。馬麗女士在本書的成稿過程中做了大量細(xì)致的整理和改進(jìn)工作，作者的同事及許多燃料電池青年愛好者為本書提供了很多資料，并提出了許多寶貴的意見與建議，在此作者對(duì)這些朋友表示衷心的感謝！由于燃料電池技術(shù)的發(fā)展日新月異、推陳出新，隨時(shí)都有進(jìn)一步改進(jìn)的空間，同時(shí)作者水平有限，書中難免有疏漏之處，誠(chéng)望各位讀者提出寶貴意見。如果讀者通過本書的閱讀能夠獲得哪怕是一點(diǎn)點(diǎn)新的知識(shí)，作者將感到不勝榮幸。

內(nèi)容概要

　　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?！　”緯到y(tǒng)地介紹了燃料電池技術(shù)的歷史與發(fā)展，并通過對(duì)燃料電池的基本原理與研究方法、種類和應(yīng)用的介紹使讀者對(duì)這種新的發(fā)電方式具有清晰的了解；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)還反映了近年來燃料電池技術(shù)的最新科技成果與未來發(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。

作者簡(jiǎn)介

　　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?！　?0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?！　　∷诨茉吹母咝мD(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)。

書籍目錄

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)淙剂系闹苯友趸瘏⒖嘉墨I(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

章節(jié)摘錄

　　第1章　燃料電池簡(jiǎn)介　　燃料電池（Fuel Cell，F(xiàn)C）是一種等溫的將儲(chǔ)存在燃料與氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿碾娀瘜W(xué)單元。雖然也稱之為電池，但燃料電池?zé)o論是原理、結(jié)構(gòu)還是管理方式都與我們熟知的干電池、充電電池等常規(guī)電池有著本質(zhì)的不同：燃料電池具有非常復(fù)雜的系統(tǒng)，且其活性物質(zhì)是獨(dú)立于燃料電池本身而存在的，只要供給燃料和氧化劑就可以像傳統(tǒng)的柴油機(jī)、汽油機(jī)一樣連續(xù)不斷地工作，與普通熱機(jī)發(fā)電機(jī)存在一定的類似性；而常規(guī)電池的容量是有限的，一旦將電池內(nèi)的活性物質(zhì)消耗完就不能使用了，充電電池必須充電后才能使用。顯然，燃料電池并不是傳統(tǒng)意義上的“電池”，而是一種直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿摹盎瘜W(xué)發(fā)電機(jī)”。　　1.1　燃料電池簡(jiǎn)史　　1.1.1　燃料電池啟蒙階段　　盡管燃料電池目前被人們當(dāng)做高科技話題，實(shí)際上，它的問世已經(jīng)是一百五卡多年前的事了。當(dāng)年燃料電池的研究者們對(duì)其趨于好奇的成分較多，并沒有做細(xì)致的研究。可是后來，特別是第二次世界大戰(zhàn)以后，燃料電池的研發(fā)越來越受到高度的重視。談到燃料電池的歷史，不能不提到以下幾位早期研發(fā)者。

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。

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