燃料電池與燃料電池汽車 (第三版) 錢斌 王志成 9787030823045 【台灣高等教育出版社】

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書名：燃料電池與燃料電池汽車 (第三版)
ISBN：9787030823045
出版社：科學
著編譯者：錢斌 王志成
頁數：249
所在地：中國大陸 *此為代購商品
書號：1745335
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內容簡介
《燃料電池與燃料電池汽車（第三版）》結合燃料電池的*新發展概況，系統地介紹燃料電池種類和原理，燃料電池用氫能的制取、純化和儲存，以及燃料電池汽車等方面的知識，使讀者對燃料電池及其在汽車方面的應用有全面的認識。《燃料電池與燃料電池汽車（第三版）》分為5 章，主要內容包括燃料電池概述、燃料電池的電化學基礎、燃料電池類型(第1～3 章 )，燃料電池用氫燃料的製備、純化與儲存(第4 章 )，以及燃料電池汽車(第5 章 )。

目錄

目錄

第1章 燃料電池概述1
1 1燃料電池簡介1
1 1 1燃料電池的工作原理1
1 1 2燃料電池的分類2
1 1 3燃料電池的發展歷史3
1 1 4燃料電池的特性4
1 2燃料電池的應用6
1 3車載儲氫技術的現狀8
1 4燃料電池汽車的未來9
思考題16
參考文獻16
第2章 燃料電池的電化學基礎18
2 1燃料電池熱力學18
2 1 1Gibbs自由能與電池電動勢的關係18
2 1 2能斯特方程20
2 1 3燃料電池效率21
2 2電極過程動力學23
2 2 1法拉第定律與電化學過程速率24
2 2 2電化學反應速率24
2 3極化25
2 3 1電化學極化25
2 3 2濃差極化28
2 3 3歐姆極化29
2 4極化測試30
思考題33
參考文獻33
第3章 燃料電池類型34
3 1質子交換膜燃料電池34
3 1 1PEMFC結構與工作原理34
3 1 2PEMFC發展簡史35
3 1 3PEMFC主要部件36
3 1 4PEMFC單電池與電池組58
3 1 5PEMFC電池組失效分析63
3 2直接甲醇燃料電池63
3 2 1DMFC結構與工作原理64
3 2 2DMFC關鍵材料66
3 2 3DMFC與PEMFC的差別69
3 2 4DMFC存在的問題70
3 2 5DMFC的應用70
3 3固體氧化物燃料電池70
3 3 1SOFC結構與工作原理70
3 3 2SOFC發展概況72
3 3 3SOFC關鍵材料74
3 3 4SOFC發展趨勢83
3 3 5SOFC面臨的問題84
3 3 6SOFC電池組93
3 3 7高功率密度SOFC95
3 4鹼性燃料電池98
3 4 1AFC結構與工作原理98
3 4 2AFC發展概況99
3 4 3AFC關鍵材料100
3 4 4排水103
3 4 5AFC的優缺點105
3 4 6單電池與電池組105
3 5磷酸燃料電池107
3 5 1PAFC結構與工作原理107
3 5 2PAFC發展狀況108
3 5 3PAFC結構材料109
3 5 4PAFC電池組112
3 5 5影響PAFC的因素112
3 5 6影響壽命的因素及改進辦法114
3 5 7PAFC的優缺點115
3 6熔融碳酸鹽燃料電池116
3 6 1MCFC結構與工作原理116
3 6 2MCFC發展概況117
3 6 3MCFC關鍵材料118
3 6 4MCFC單電池與電池組122
3 6 5操作條件對MCFC性能的影響123
3 6 6MCFC的優缺點126
思考題127
參考文獻127
第4章 燃料電池用氫燃料的製備、純化與儲存134
4 1氫氣的製備134
4 1 1化石能源制氫134
4 1 2水電解制氫143
4 1 3生物質制氫146
4 1 4氮氫化合物制氫151
4 1 5硼氫化鈉制氫154
4 2氫氣的純化157
4 2 1變壓吸附法158
4 2 2膜分離技術159
4 2 3低溫分離法162
4 2 4金屬氫化物法162
4 3氫氣的儲存163
4 3 1高壓氣態存儲163
4 3 2低溫液態存儲165
4 3 3金屬氫化物儲氫166
4 3 4新型碳材料儲氫170
4 3 5有機液體氫化物儲氫173
4 3 6其他儲氫技術174
思考題181
參考文獻181
第5章 燃料電池汽車184
5 1燃料電池汽車的工作原理184
5 2燃料電池汽車的重要部件185
5 2 1燃料電池發動機186
5 2 2動力系統186
5 2 3電動機190
5 2 4電子控制系統192
5 2 5燃料供應系統193
5 2 6安全系統198
5 3燃料電池汽車的關鍵技術201
5 3 1電池技術201
5 3 2電機技術202
5 3 3控制器技術204
5 4質子交換膜燃料電池電動汽車205
5 4 1發展概況205
5 4 2研發方向和需要解決的問題213
5 5固體氧化物燃料電池汽車215
5 5 1發展概況215
5 5 2SOFC電池應用於汽車所面臨的挑戰218
5 6燃料電池汽車的基礎設施建設219
5 6 1氫氣加注站219
5 6 2全球氫氣加注站的發展概況224
5 7燃料電池汽車的測試評價體系228
5 7 1燃料電池汽車相關標準228
5 7 2燃料電池汽車測試評價230
思考題233
參考文獻233
附錄燃料電池與氫能相關國家標準236
附錄1燃料電池相關國家標準236
附錄2燃料電池汽車相關國家標準241
附錄3氫氣制取相關國家標準243
附錄4氫能儲運基礎設施相關國家標準245
附錄5加氫基礎設施相關國家標準246
附錄6氫能其他相關國家標準248

精彩書摘
第1 章 燃料電池概述
能源是人類賴以生存的物質基礎，是國民經濟發展的動力。世界化石燃料的儲量與快速消耗的矛盾迫使各國政府千方百計地尋求新能源和提高現有資源的利用率，以確保社會的繁榮昌盛與國家的長治久安；同時，隨著環境污染問題越來越受到重視，環境保護已成為人類社會可持續發展的核心。而20 世紀所建立起來的龐大的能源系統已無法適應未來社會對高效、清潔、經濟、安全的能源體系的要求。能源發展正面臨著巨大的挑戰。
從目前世界能源發展的趨勢來看，在未來50 年，世界能源結構仍然以化石燃料為主，以可再生能源和新能源為補充。一般而言，化石燃料都通過燃燒將其化學能轉化為熱能，或直接利用，或繼續轉化為電能，也有通過合成如汽油、乙醇等二次能源被利用。化石燃料在上述的利用過程中，除了由於轉化效率低，造成嚴重的能源浪費，還會產生大量的粉塵、碳氧化物、氮氧化物、硫氧化物等有害物質和噪聲，嚴重污染人類的生存環境。
為了實現可持續發展，必須保護人類賴以生存的自然環境和自然資源，這是人類進入21 世紀面臨的嚴峻挑戰。對此，科學家提出了資源與能源*充分利用和環境*小負擔的概念。其中，開發潔淨的新能源及新能源材料是這一概念的重要組成部分。作為21 世紀世界範圍內大力發展和推廣的燃料電池技術，通過電化學反應過程使燃料中的化學能直接轉化為電能，可以極大地降低污染，同時由於其能量的轉化不受卡諾循環的限制，能量的利用率也得以極大地提高，高達40%～60%，如果通過熱電共生同時利用其熱能，則能量的轉化率可以達到80%以上。因此，清潔、安靜、高效的燃料電池不僅是解決化石類燃料污染環境*有效的途徑之一[1]，也可以緩解人類越來越緊張的能源危機，是我國《新能源和可再生能源發展綱要》中優先支持的項目。
1 1 燃料電池簡介
1 1 1 燃料電池的工作原理
燃料電池(Fuel Cell，FC)是一種將燃料和氧化劑的化學能直接轉換成電能的電化學反應裝置。單節 燃料電池由陽極、陰極和電解質隔膜構成。燃料在陽極氧化，氧化劑在陰極還原，從而完成整個電化學反應。電解質隔膜的功能為分隔燃料和氧化劑並起到離子傳導的作用。在陽極一側持續通以燃料氣，如氫氣、甲烷、煤氣等，在陰極一側通入氧氣或空氣，通過電解質離子傳導，在陰極和陽極發生電子轉移，即在兩極之間產生電勢差，從而形成一個電池。連接兩極，在外電路中形成電流，便可帶動負載工作。圖1 1 為不同類型燃料電池的工作原理[2]。
圖1 1 不同類型燃料電池的工作原理
雖然燃料電池的工作原理和常規的化學電源一樣都是利用電化學反應產生電能，但是其工作方式又與常規的化學電源不同，常規化學電源利用電池內的反應物之間的化學反應產生電能，其電池容量取決於電池內所含反應物的物質的量，而燃料電池利用外部提供的燃料和氧化劑在燃料電池的內部發生電化學反應而產生電能，從理論上講，只要不斷給燃料電池提供燃料即可實現連續發電，電池容量不受限制。
1 1 2 燃料電池的分類
迄今已研發出多種類型的燃料電池，燃料電池可以從其工作原理、使用燃料、工作溫度以及電解質種類等進行分類。根據燃料電池的工作原理不同可分為酸性燃料電池和鹼性燃料電池；根據使用燃料的不同可以分為氫燃料電池和碳氫燃料電池；根據燃料電池的工作溫度不同可以分為低溫燃料電池(工作溫度低於100℃)、中溫燃料電池(工作溫度為100～300℃)和高溫燃料電池(工作溫度高於600℃)；而根據電解質種類的不同，燃料電池可以分為鹼性燃料電池(Alkaline Fuel Cell，AFC)(一般以氫氧化鉀為電解質)，磷酸型燃料電池 (Phosphoric Acid Fuel Cell，PAFC)，熔融碳酸鹽燃料電池(Molten Carbonate Fuel Cell，MCFC)，固體氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell，SOFC)，質子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)，以及直接以甲醇為燃料的質子交換膜燃料電池，通常稱為直接甲醇燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell，DMFC)[3，4]，這也是目前*常用的燃料電池分類方法。表1 1 是各種燃料電池的特徵狀態。
表1 1 各種燃料電池的特徵狀態
1 1 3 燃料電池的發展歷史
燃料電池的歷史可以追溯到19 世紀，1839 年William Robert Grove 使用兩個鉑電極電解硫酸時發現，析出的氫氣和氧氣具有電化學活性，並在兩極間產生約1V 的電勢差，在此基礎上成功研製了第1台氫氧燃料電池。到20 世紀50 年代以前，燃料電池一直處於理論與應用基礎的研究階段。燃料電池理論和類型也不斷豐富，1952 年Bacon 型鹼性氫氧燃料電池出現。
20 世紀60 年代由於載人航天對於大功率、高比功率與高比能量電池的迫切需求，燃料電池才引起一些國家與第1部門的高度重視。正是在這種背景下， Pratt & Whitney 公司研製成功Apollo 登月飛船的主電源——Bacon 型中溫氫氧燃料電池。1965 年，雙子星座宇宙飛船也採用了美國通用的PEMFC 為主電源。同時，兆瓦級燃料電池研製成功。
20 世紀70～80 年代，能源危機和航天軍備競賽極大地推動了燃料電池的發展。以美國為*的發達國家開始大力支持民用燃料電池的開發，PC25(200kW)磷酸燃料電池電堆經過維護和升級後至今還有數百台在世界各地運行。實踐證明，它們的運行高度可靠，能作為各種應急電源與不斷電供應系統廣泛使用。在此期間熔融碳酸鹽燃料電池也有了很大的發展，當時已有2000kW 實驗電站在運行。固體氧化物燃料電池採用固體氧化物膜電解質，在800～1000℃工作，直接採用天然氣、煤氣和碳氫化合物作為燃料，餘熱與燃氣、蒸汽輪機構成聯合循環發電，當時已在進行數十和數百千瓦的固體氧化物燃料電池電站試驗。
進入20 世紀90 年代以來，人類日益關注環境保護。以質子交換膜燃料電池為動力的電動汽車，直接甲醇燃料電池的便攜式移動電源，高溫燃料電池電站，用於潛艇和航天器的燃料電池等蓬勃發展。
我國自20 世紀60 年代起，即開始從事燃料電池的研究。1969 年起，中國科學院大連化學物理研究所承擔了航天氫氧燃料電池的研製任務，此後，中國科學院長春應用化學研究所和中國科學院上海硅酸鹽研究所等陸續承擔國防第1上的燃料電池研究任務。在國家”863”電動汽車重大專項和”973”氫能相關項目的支持下，國內燃料電池上中下游研究均取得很大進展。近年來，隨著技術進步和政策扶持，中國燃料電池產業快速發展，形成了較為完整的產業鏈和產業集群。目前中國燃料電池產業已建立了以企業為主體、市場為導向、產學研相結合的創新體系。在關鍵材料、核心部件和系統集成等方面取得了一系列重要突破，形成了具有自主知識產權的燃料電池技術體系。同時，中國燃料電池產業在基礎設施建設、標準制定和人才培養等方面也取得了顯著進展，截至2024 年底，我國氫能相關企業已經達到3648 家。
1 1 4 燃料電池的特性
燃料電池的工作原理使其具備了其他發電裝置和供電設備

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