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第1章 燃料电池简介1

1.1 燃料电池简史1

1.1.1 燃料电池启蒙阶段1

1.1.2 燃料电池现代发展阶段2

1.2 燃料电池基本原理3

1.3 燃料电池系统5

1.3.1 燃料处理系统5

1.3.2 排热回收系统6

1.4 燃料电池特性7

1.4.1 良好的环境相容性7

1.4.2 良好的操作性能8

1.4.3 灵活可靠的输出性能9

1.4.4 灵活的结构特性10

1.4.5 燃料电池存在的问题11

1.5 燃料电池分类11

1.5.1 碱性燃料电池13

1.5.2 质子交换膜燃料电池13

1.5.3 直接甲醇燃料电池13

1.5.4 磷酸燃料电池13

1.5.5 熔融碳酸盐燃料电池14

1.5.6 固体氧化物燃料电池14

1.6 其他类型燃料电池14

1.6.1 再生型燃料电池14

1.6.2 锌空燃料电池14

1.6.3 生物燃料电池15

参考文献15

第2章 燃料电池基础理论与研究方法18

2.1 燃料电池中的化学热力学18

2.1.1 化学热力学基础18

2.1.2 气体压力、浓度和温度对电极电势的影响21

2.1.3 燃料电池的效率22

2.2 燃料电池中的电极反应动力学［2～5］25

2.2.1 燃料电池的不可逆性——电压降25

2.2.2 Butler-Volmer方程27

2.2.3 活化损失28

2.2.4 传质损失31

2.2.5 欧姆损失33

2.2.6 燃料电池的渗透及内电流34

2.3 电催化理论简介35

2.3.1 析氢反应和氢氧化反应机理36

2.3.2 氧的还原反应37

2.3.3 甲醇电催化氧化原理39

2.4 燃料电池的传质40

2.5 燃料电池表征方法43

2.5.1 催化剂相关表征方法43

2.5.2 燃料电池测试系统46

2.5.3 燃料电池各种损失的表征方法47

参考文献49

第3章 燃料电池的燃料与氧化剂供应51

3.1 化石燃料51

3.1.1 石油52

3.1.2 低硫轻质石油及液化石油气53

3.1.3 天然气53

3.1.4 煤和煤气54

3.2 生物燃料55

3.3 氢56

3.3.1 氢的制取57

3.3.2 氢燃料的纯化77

3.3.3 氢的贮存83

3.3.4 氢的运输和加注87

3.3.5 氢的安全性88

3.4 燃料电池氧化剂的供应90

3.4.1 压缩机类型91

3.4.2 压缩机供气量和压缩机的选择92

参考文献94

第4章 碱性燃料电池97

4.1 引言97

4.2 工作原理98

4.3 电催化剂与电极99

4.3.1 电催化剂99

4.3.2 电极结构与制备工艺101

4.4 电解质103

4.5 AFC性能的影响因素和存在的问题105

4.5.1 操作压力105

4.5.2 操作温度106

4.5.3 电解质浓度106

4.5.4 CO2的毒化问题106

4.5.5 排水方法107

参考文献108

第5章 质子交换膜燃料电池110

5.1 引言110

5.2 PEMFC的特征112

5.2.1 能量转换效率112

5.2.2 温度特性113

5.2.3 压力特性113

5.2.4 CO的影响114

5.2.5 寿命114

5.2.6 电池及电堆性能特征描述114

5.3 质子交换膜115

5.3.1 概述115

5.3.2 全氟磺酸膜117

5.3.3 非全氟磺酸膜119

5.3.4 耐热型质子交换膜120

5.3.5 质子交换膜发展方向121

5.4 电催化剂121

5.4.1 电催化剂的技术指标与选择原则122

5.4.2 阳极催化剂及其发展趋势124

5.4.3 阴极催化剂127

5.4.4 电催化剂的制备方法129

5.5 电极130

5.5.1 气体扩散层131

5.5.2 催化层133

5.5.3 膜电极“三合一”组件的制备136

5.6 双极板及流场设计137

5.6.1 双极板的功能和特点137

5.6.2 双极板种类及其特征138

5.6.3 流场形式及特征139

5.6.4 双极板及流场设计发展展望142

5.7 PEMFC系统142

5.7.1 单电池与电堆143

5.7.2 PEMFC加湿单元143

5.7.3 PEMFC供气单元146

5.7.4 PEMFC电源系统集成与运行管理146

5.8 PEMFC的应用146

5.8.1 小型定置发电系统147

5.8.2 运输工具150

5.8.3 便携式电源152

5.9 可再生燃料电池（RFC）153

参考文献155

第6章 直接甲醇燃料电池160

6.1 引言160

6.2 DMFC的工作原理160

6.2.1 DMFC电极反应161

6.2.2 甲醇电催化氧化原理及影响因素162

6.3 DMFC阴阳极催化剂及质子交换膜164

6.3.1 DMFC阴极催化剂164

6.3.2 DMFC阳极催化剂164

6.3.3 DMFC质子交换膜166

6.4 DMFC及其性能影响因素分析166

6.4.1 DMFC的组成与结构166

6.4.2 DMFC工作条件和进料方式168

6.4.3 DMFC的功率范围及限制因素168

6.5 DMFC系统的应用发展169

参考文献171

第7章 磷酸燃料电池175

7.1 引言175

7.2 PAFC工作原理与特性176

7.2.1 工作原理176

7.2.2 PAFC特性176

7.3 PAFC组成材料177

7.3.1 电解质与载体177

7.3.2 催化剂178

7.3.3 双极板179

7.4 PAFC结构180

7.4.1 电极结构及制备工艺180

7.4.2 单电池与电池堆181

7.5 影响PAFC性能的因素183

7.5.1 压力183

7.5.2 温度184

7.5.3 燃料组成及利用率185

7.5.4 氧化剂组成及利用率185

7.6 技术开发重点186

参考文献187

第8章 熔融碳酸盐燃料电池189

8.1 MCFC工作原理189

8.2 熔融碳酸盐燃料电池材料190

8.2.1 阳极材料191

8.2.2 阴极材料191

8.2.3 基体材料193

8.3 影响熔融碳酸盐燃料电池性能的因素194

8.3.1 压力的影响195

8.3.2 温度的影响195

8.3.3 反应气体组分和利用率的影响196

8.4 熔融碳酸盐燃料电池的应用与发展197

参考文献200

第9章 固体氧化物燃料电池201

9.1 历史201

9.2 SOFC的工作原理202

9.3 SOFC技术和应用203

9.4 SOFC材料204

9.4.1 固体电解质材料205

9.4.2 阳极材料207

9.4.3 阴极材料209

9.4.4 连接材料211

9.5 SOFC的制备工艺211

9.5.1 物理法212

9.5.2 化学法213

9.5.3 陶瓷成型法214

9.6 SOFC的电堆结构215

9.6.1 管状设计215

9.6.2 平板式设计217

9.6.3 合并的平板式SOFC和平管高功率密度设计220

9.7 燃料和燃料的处理220

9.7.1 内部重整221

9.7.2 碳氢燃料的直接氧化223

参考文献224

第10章 燃料电池的电能输出226

10.1 引言226

10.2 线性电源电路227

10.3 开关电源主要元、器件227

10.3.1 高频二极管227

10.3.2 功率场效应管（MOSFET）228

10.3.3 磁路与磁性材料228

10.3.4 电感229

10.3.5 变压器230

10.4 Buck开关调整器230

10.5 Boost开关调整器232

10.5.1 Boost开关调整器的工作原理232

10.5.2 燃料电池辅助电源用锂电池选择实例233

10.6 Cuk开关调整器233

10.7 Sepic开关调整器236

10.7.1 Sepic开关调整器的工作原理236

10.7.2 10W燃料电池电压变换实例236

10.8 单端正激变换器237

10.9 推挽型变换器239

10.10 全桥变换器240

10.11 开关电源的控制原理241

10.12 800 W燃料电池DC/DC变换器实例242

参考文献244

结束语245