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目录1

前言1

符号说明1

缩略语1

第1章 燃料电池的综述1

1.1 燃料电池的定义、诞生与开发史1

1.1.1 燃料电池的诞生与开发史1

1.1.2 燃料电池的应用与商业化的发展史4

1.2 燃料电池的发电原理、特点及种类6

1.2.1 燃料电池的发电原理6

1.2.2 燃料电池的特点8

1.2.3 燃料电池的种类11

1.3 燃料电池的关键材料与元件17

1.3.1 触媒与多孔气体扩散电极18

1.3.2 电解质隔膜20

1.3.3 双极板22

1.4 燃料电池组23

1.5 燃料电池的交流发电系统25

1.6 燃料电池与再生能源26

1.6.1 太阳能与燃料电池27

1.6.2 温室气体与燃料电池29

1.6.3 再生式燃料电池29

1.6.4 生质能与燃料电池31

1.7 促使能源变迁与氢能经济的发展32

1.7.1 人类使用能源的变迁33

1.7.2 氢能经济的发展36

1.8 燃料电池的发展方向38

1.8.1 燃料电池的商业化发展38

1.8.2 燃料电池的相关技术与材料研究40

1.8.3 新型燃料电池的研究41

1.9 我国燃料电池发展的基本情况45

第2章 电极热力学、动力学、发电效率与电催化49

2.1 电极热力学49

2.1.1 自由能与理想电位50

2.1.2 理想电位与温度的关系52

2.1.3 理想电位与压力的关系54

2.2 电极反应动力学58

2.2.1 Butler-Volmer方程式59

2.2.2 极化62

2.2.3 活化过电位63

2.2.4 浓度过电位68

2.2.6 极化曲线72

2.2.5 欧姆过电位72

2.3 燃料电池的效率73

2.3.1 燃料电池的理想效率74

2.3.2 燃料电池的实际效率76

2.3.3 燃料电池系统的效率77

2.4 燃料电池中的催化作用79

2.4.1 电催化原理79

2.4.2 电催化剂（触媒）的作用81

2.4.3 燃料电池电催化剂（触媒）的选择与设计82

2.4.4 电催化剂（触媒）材料的开发85

第3章 碱性燃料电池（AFC）87

3.1 概述87

3.2 工作原理90

3.3 电池的结构91

3.4.1 触媒与电极结构93

3.4 碱性燃料电池的关键元件93

3.4.2 电解质载体隔膜96

3.4.3 双极板与流场96

3.4.4 电池组的结构97

3.4.5 电解质的管理99

3.5 AFC的运行特性102

3.5.1 氧化剂对AFC运行特性的影响102

3.5.2 工作温度对AFC运行特性的影响103

3.5.3 工作压力对AFC运行特性的影响103

3.6 运行实例104

3.7 AFC的开发应用106

3.7.1 培根碱性燃料电池的开发107

3.7.2 阿波罗登月太空飞船用AFC107

3.7.3 航天飞机用AFC109

3.8 各国的研究开发情况111

3.8.1 美国的研究开发情况112

3.8.2 欧洲的研究开发情况113

3.8.3 日本的研究开发情况115

3.8.4 我国的研究开发情况118

3.9 技术开发课题119

3.9.1 提高AFC的性能119

3.9.2 降低AFC的造价119

第4章 质子交换膜燃料电池（PEMFC）121

4.1 概述121

4.2 工作原理123

4.3 电池的结构126

4.4 质子交换膜燃料电池的关键元件126

4.4.1 质子交换膜126

4.4.2 触媒与电催化反应131

4.4.3 电极135

4.4.4 膜电极组138

4.4.5 双极板与流场140

4.5 PEMFC性能的实验测试144

4.5.1 单体电池的结构144

4.5.2 单体电池的性能145

4.6 电池组的各项技术150

4.6.1 电池组的密封技术151

4.6.2 电池组的水管理与增湿技术151

4.6.3 电池组的散热技术156

4.7 PEMFC的研究开发现状157

4.8 PEMFC的适用范围159

4.8.1 航天与军事动力电源159

4.8.2 车辆用动力电源161

4.8.3 固定式电源163

4.8.4 可携式电子产品小电源164

4.8.5 PEMFC商品化所面临的挑战165

4.8.6 我国当前PEMFC研究的应用目标169

第5章 磷酸燃料电池（PAFC）170

5.1 概述170

5.2 工作原理171

5.3 PAFC的工作条件175

5.4 磷酸燃料电池的关键元件与材料176

5.4.1 电解质与载体176

5.4.2 电极177

5.4.3 双极板178

5.4.4 单体电池、电池组与系统180

5.5.1 温度效应185

5.5 磷酸燃料电池的性能分析185

5.5.2 压力效应186

5.5.3 反应气体的组成与利用率效应188

5.5.4 杂质效应190

5.5.5 磷酸的浓度效应193

5.5.6 电池的内阻194

5.6 磷酸燃料电池在静置型发电站中的应用与发展现状194

5.7 磷酸燃料电池在电动汽车中的应用情况199

5.8 各国对PAFC的研究开发情况200

5.8.1 美国的研究开发情况200

5.8.2 日本的研究开发情况202

5.8.3 欧洲及其他国家和地区的研究开发情况205

5.9.1 提高PAFC的性能与可靠性207

5.9 技术开发课题207

5.9.2 降低电池的制造成本（经济性）210

第6章 熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）214

6.1 概述214

6.2 发电原理及特性215

6.2.1 发电原理215

6.2.2 电池系统的特性217

6.3 熔融碳酸盐燃料电池的关键元件与结构220

6.3.1 电解质载体隔膜221

6.3.2 阳极222

6.3.3 阴极223

6.3.4 电解质与电解质的管理226

6.3.5 双极板与电池组的结构229

6.4 影响MCFC性能的因素分析231

6.4.1 压力的影响231

6.4.2 温度的影响234

6.4.3 反应气体的组成与利用率的影响236

6.4.4 杂质的影响239

6.4.5 燃料利用率与内重整反应243

6.5 MCFC的发展情况与发展现状244

6.5.1 20世纪80年代前的发展情况244

6.5.2 当前的发展现状245

6.6 发电厂系统的运行技术要点和构成252

6.6.1 MCFC系统的运行技术要点252

6.6.2 发电厂系统的构成254

6.7 MCFC的技术开发课题258

6.7.1 阴极材料的选择及电化学反应的研究258

6.7.2 阳极材料的选择及电化学性能的研究260

6.7.3 电解质组分的选择与添加剂的研究260

6.7.4 电池耐腐蚀性能的研究261

6.7.5 电池本体需要解决的问题262

第7章 固态氧化物燃料电池（SOFC）263

7.1 概述263

7.2 SOFC的工作原理与特点264

7.3 固态电解质与固态氧化物电解质270

7.3.1 固态电解质270

7.3.2 固态氧化物电解质273

7.3.3 固态氧化物电解质的导电机制274

7.4 固态氧化物燃料电池的元件与材料279

7.4.1 电解质280

7.4.2 阴极及其触媒281

7.4.3 阳极及其触媒283

7.4.4 支撑管、双极连接板与密封材料285

7.5 SOFC的制造方法与电池组的结构287

7.5.1 薄膜制造技术288

7.5.2 SOFC电池组的结构291

7.6 影响SOFC性能的因素分析302

7.6.1 压力的影响302

7.6.2 温度的影响303

7.6.3 反应气体的组成与利用率的影响304

7.6.4 杂质的影响307

7.7 SOFC的研究开发现状308

第8章 直接甲醇燃料电池（DMFC）317

8.1 概述317

8.2 DMFC的工作原理318

8.2.1 电极反应方程式318

8.2.2 甲醇电催化氧化机制320

8.3 DMFC的性能分析321

8.3.1 甲醇电催化触媒的设计322

8.3.2 工作条件与进料方式326

8.3.3 膜电极组的结构328

8.3.4 电解质膜的特性330

8.4 直接甲醇燃料电池的发展现状331

第9章 静置式交流发电站系统336

9.1 概述336

9.2 燃料电池交流发电系统338

9.3 静置式燃料电池发电站的研究开发现状341

9.4 燃料电池交流发电系统的效率347

9.5 燃料重整转化系统350

9.6 燃料电池的冷却方式352

9.7 DC/AC逆变器354

9.7.1 现场型电站用DC/AC逆变器355

9.7.2 分散型电站用DC/AC逆变器361

9.7.3 大型高压发电站应用的DC/AC逆变器366

9.8 燃料电池发电站的控制系统377

9.9 燃料电池在UPS中的应用378

9.10 21世纪把人类从集中供电带入到分散供电的新时代380

9.11 燃料电池发电站与再生能源384

9.11.1 太阳能再生式燃料电池发电站385

9.11.2 生质能与燃料电池发电站386

第10章 电动汽车、太空飞行、潜艇动力及可携电源389

10.1 概述389

10.2 电动汽车的动力391

10.2.1 电动乘客汽车394

10.2.2 电动汽车用的DC/AC逆变器409

10.2.3 燃料电池电动摩托车与电动自行车418

10.2.4 燃料电池电动车商品化存在的问题421

10.2.5 氢气即付系统HDSTM制氢技术425

10.2.6 储氢技术428

10.3 太空飞行的高效电源432

10.3.1 阿波罗登月飞船用碱性燃料电池433

10.3.2 航天飞机用碱性燃料电池438

10.3.3 双子星V飞船1号用PEMFC发电装置441

10.3.4 我国航天燃料电池的开发情况442

10.3.5 航天用再生式燃料电池的研究443

10.4 潜艇动力446

10.5 可携式电源447

附录451

附录A 燃料电池的计算方法与计算实例451

附录B 燃料电池常用的单位转换因子462

附录C 燃料电池常用的物理常数463

附录D 国内从事燃料电池研发的公司和机构463

参考文献465