燃料電池系統(tǒng)

前言

　　近年來(lái)隨著能源短缺和環(huán)境惡化日益嚴(yán)重，燃料電池作為一種高效潔凈的發(fā)電裝置，其技術(shù)的發(fā)展引起了各國(guó)政府、企業(yè)、科研機(jī)構(gòu)及高等院校的高度重視。燃料電池被看做是繼火力發(fā)電、水力發(fā)電與核電之后的第四種發(fā)電方式。燃料電池技術(shù)被認(rèn)為是2l世紀(jì)首選的潔凈高效的發(fā)電技術(shù)，美國(guó)把燃料電池列為僅次于基因重組計(jì)劃和超級(jí)材料之后的第三項(xiàng)尖端技術(shù)。燃料電池技術(shù)的研發(fā)近年來(lái)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，小到幾瓦大到兆瓦級(jí)的燃料電池系統(tǒng)相繼研究成功，并應(yīng)用于發(fā)電站、交通運(yùn)輸工具和便攜式電子設(shè)備等。另外，航天航空器、水潛艇和水下機(jī)器人等高科技領(lǐng)域也可看到燃料電池應(yīng)用的例子，以氫為燃料的零排放燃料電池汽車更是人類追求的理想交通工具。燃料電池還特別適于建設(shè)分電站，可以解決目前集中式電網(wǎng)輸電出現(xiàn)故障或遭到破壞時(shí)造成大面積癱瘓的問(wèn)題。這一點(diǎn)對(duì)國(guó)防安全和反恐是十分重要的。　　燃料電池的進(jìn)一步發(fā)展需要更多年輕科技工作者的參與。因此，高等院校有必要設(shè)置有關(guān)燃料電池的課程，開(kāi)展系統(tǒng)的教育，培養(yǎng)相關(guān)的研究人才。本書(shū)將面向高年級(jí)大學(xué)生和研究生教育，可作為教材或教學(xué)參考書(shū)，也可供從事燃料電池研發(fā)的科技工作者參閱。目前，燃料電池技術(shù)仍處于發(fā)展階段，相關(guān)知識(shí)在不斷更新。近年來(lái)現(xiàn)出了一些新型燃料電池，有關(guān)這方面內(nèi)容的書(shū)籍較少，讓學(xué)生們了解這些最新的發(fā)展是本書(shū)的編寫(xiě)出發(fā)點(diǎn)之一?！　”緯?shū)分為四個(gè)部分，共13章。第一部分（第1～2章）介紹了燃料電池的基本原理及其熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)知識(shí)；第二部分（第3～8章）分別針對(duì)目前常見(jiàn)的6種類型的燃料電池進(jìn)行了系統(tǒng)的闡述，重點(diǎn)在電池的結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵材料及其發(fā)展現(xiàn)狀與應(yīng)用情況；第三部分（第9～12章）介紹了4種特殊類型的、目前處于活躍研究階段的燃料電池，包括金屬半燃料電池、直接碳然料電池、直接硼氫化物燃料電池和生物燃料電池；第四部分（第13章）討論了作為燃料電池燃料的氫氣的制備及.儲(chǔ)存。另外，每章后附有問(wèn)題與討論，可用于檢查對(duì)本章知識(shí)的學(xué)習(xí)掌握情況?！　”緯?shū)的編寫(xiě)力求嚴(yán)謹(jǐn)、規(guī)范，敘述力求準(zhǔn)確、精煉，內(nèi)容力求系統(tǒng)、全面，使用的資料力求新穎。

內(nèi)容概要

本書(shū)論述了燃料電池的基本原理、結(jié)構(gòu)、性能、關(guān)鍵材料、發(fā)展現(xiàn)狀以及在軍事、航天航空、民用等領(lǐng)域的應(yīng)用。全書(shū)共13章，內(nèi)容包括燃料電池概述、燃料電池?zé)崃W(xué)和動(dòng)力學(xué)、質(zhì)子交換膜燃料電池、直接甲醇燃料電池、堿性燃料電池、磷酸燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、固體氧化物燃料電池、金屬半燃料電池、直接碳燃料電池、直接硼氫化物燃料電池、生物燃料電池和氫燃料的制備及儲(chǔ)存。    本書(shū)內(nèi)容全面系統(tǒng)，概念清楚、文字簡(jiǎn)練、圖文并茂，可作為高等院校相關(guān)專業(yè)的高年級(jí)本科生和研究生的教材或教學(xué)參考書(shū)，也可供從事燃料電池研發(fā)的科技工作者參閱。

書(shū)籍目錄

第1章　燃料電池概述　1.1　燃料電池的歷史回顧　　1.1.1　燃料電池的定義　　1.1.2　燃料電池的誕生及發(fā)展歷程簡(jiǎn)介　1.2　燃料電池基礎(chǔ)　　1.2.1　燃料電池的工作原理　　1.2.2　燃料電池的特點(diǎn)　　1.2.3　燃料電池的種類　1.3　燃料電池系統(tǒng)　　1.3.1　燃料電池堆　　1.3.2　熱管理系統(tǒng)　　1.3.3　電力調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)換系統(tǒng)　　1.3.4　控制系統(tǒng)　1.4　燃料電池的應(yīng)用　　1.4.1　固定發(fā)電站　　1.4.2　運(yùn)輸工具動(dòng)力　　1.4.3　便攜式電源　1.5　能源、環(huán)境與燃料電池　　1.5.1　能源的概況　　1.5.2　化石能源的短缺和環(huán)境污染問(wèn)題　　1.5.3　氫能與燃料電池　問(wèn)題與討論第2章　燃料電池的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)　2.1　燃料電池的熱力學(xué)　　2.1.1　理論效率的計(jì)算　　2.1.2　電池電動(dòng)勢(shì)與溫度的關(guān)系　　2.1.3　電池電動(dòng)勢(shì)與壓力的關(guān)系　2.2　電極過(guò)程動(dòng)力學(xué)　　2.2.1　極化與過(guò)電勢(shì)　　2.2.2　活化過(guò)電勢(shì)　　2.2.3　濃差過(guò)電勢(shì)　　2.2.4　歐姆過(guò)電勢(shì)　　2.2.5　燃料電池的極化曲線　2.3　燃料電池效率　　2.3.1　燃料電池的實(shí)際效率　　2.3.2　燃料電池系統(tǒng)的實(shí)際效率　問(wèn)題與討論第3章　質(zhì)子交換膜燃料電池　3.1　發(fā)展簡(jiǎn)史　3.2　工作原理　3.3　特點(diǎn)　3.4　膜電極組件　3.5　電極催化劑　　3.5.1　對(duì)催化劑的要求　　3.5.2　催化劑的選擇　　3.5.3　催化劑的制備　　3.5.4　催化劑的結(jié)構(gòu)和表征　3.6　電極的結(jié)構(gòu)　　3.6.1　電極的種類、組成和制備方法　　3.6.2　擴(kuò)散層　　3.6.3　催化層的制備　3.7　質(zhì)子交換膜　　3.7.1　質(zhì)子交換膜的功能　　3.7.2　Nafion膜的性能　　3.7.3　Nafion膜的問(wèn)題　　3.7.4　Nation膜的改進(jìn)　3.8　雙極板和流場(chǎng)　　3.8.1　雙極板的功能和要求　　3.8.2　雙極板的材料　　3.8.3　流場(chǎng)　……第4章　直接醇類燃料電池第5章　堿性燃料電池第6章　磷酸燃料電池第7章　熔融碳酸鹽燃料電池第8章　固體氧化物燃料電池第9章　金屬半燃料電池第10章　直接碳燃料電池第11章　直接硼氫化物燃料電池第12章　生物燃料電池第13章　氫氣的制備及儲(chǔ)存參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　第1章　燃料電池概述　　能源短缺以及大量化石能源的利用導(dǎo)致環(huán)境嚴(yán)重惡化已成為目前全人類所面對(duì)的重大問(wèn)題。尋求潔凈高效的能量轉(zhuǎn)換技術(shù)已經(jīng)成為各國(guó)政府、企業(yè)界、科研院所和高等院校等共同關(guān)注的問(wèn)題。在這樣的背景下，燃料電池（fuel cell）這一古老的發(fā)明又重新成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)。燃料電池技術(shù)被認(rèn)為是21世紀(jì)首選的潔凈高效的發(fā)電技術(shù)，美國(guó)把燃料電池列為僅次于基因組計(jì)劃和超級(jí)材料之后的第三項(xiàng)尖端技術(shù)。因此，燃料電池技術(shù)承載著人類實(shí)現(xiàn)高效率和零排放發(fā)電的夢(mèng)想。那么，什么是燃料電池？它是怎樣來(lái)發(fā)電的？它有什么樣的優(yōu)點(diǎn)以至于被給予如此高度的重視和評(píng)價(jià)？目前都有哪些類型的燃料電池？它們能在哪些方面發(fā)揮作用？本章將回答這些關(guān)于燃料電池的基本問(wèn)題，為讀者學(xué)習(xí)后續(xù)章節(jié)奠定基礎(chǔ)?！　?.1　燃料電池的歷史回顧　　1.1.1　燃料電池的定義　　燃料電池是一種能量轉(zhuǎn)換裝置，它將存儲(chǔ)在燃料中的化學(xué)能通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)直接轉(zhuǎn)換成電能。燃料電池的工作原理與一般傳統(tǒng)電池（battery）類似，但其工作方式則不同于電池。電池是集能量存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換一體的裝置，即電活性物質(zhì)通常作為電極材料的一部分存儲(chǔ)在電池殼體中，在電池工作（放電）時(shí)，其不斷被消耗掉，待這些攜帶化學(xué)能的電活性物質(zhì)消耗到一定程度后，電池就不能繼續(xù)工作。因此，電池的特征是一次只能輸出有限的電能，并且電極在電池工作過(guò)程中會(huì)不斷變化。而燃料電池本身僅僅是一種能量轉(zhuǎn)換裝置，并不存儲(chǔ)能量。攜帶能量的燃料和氧化劑被源源不斷地輸入到燃料電池中，經(jīng)電化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)換為電能，并不斷排出產(chǎn)物。此過(guò)程中燃料電池的電極并不發(fā)生變化，只是提供電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的場(chǎng)所。因此，燃料電池的特征是只要能夠連續(xù)地供應(yīng)燃料和氧化劑，燃料電池就能連續(xù)發(fā)電，并且電極并不消耗。這種工作方式與汽油和柴油發(fā)電機(jī)比較接近，即不斷的從外部獲得燃料，不斷輸出電能，并不斷排放反應(yīng)產(chǎn)物。但是，燃料電池和汽、柴油發(fā)電機(jī)的發(fā)電過(guò)程是完全不同的。傳統(tǒng)的熱機(jī)發(fā)電要經(jīng)過(guò)幾個(gè)步驟，首先，必須通過(guò)燃燒將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成熱能；然后，利用熱機(jī)（內(nèi)燃機(jī)或蒸汽機(jī)）將熱能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能；最后，再通過(guò)發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。

編輯推薦

　　《燃料電池系統(tǒng)》分為四個(gè)部分，共13章。第一部分（第1-2章）介紹了燃料電池的基本原理及其熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)知識(shí)；第二部分（第3-8章）分別針對(duì)目前常見(jiàn)的6種類型的燃料電池進(jìn)行了系統(tǒng)的闡述，重點(diǎn)在電池的結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵材料及其發(fā)展現(xiàn)狀與應(yīng)用情況；第三部分（第9-12章）介紹了4種特殊類型的、目前處于活躍研究階段的燃料電池，包括金屬半燃料電池、直接碳然料電池、直接硼氫化物燃料電池和生物燃料電池；第四部分（第13章）討論了作為燃料電池燃料的氫氣的制備及儲(chǔ)存。另外，每章后附有問(wèn)題與討論，可用于檢查對(duì)本章知識(shí)的學(xué)習(xí)掌握情況。

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