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第1章 燃料电池概述 1

1.1 燃料电池的发展历史 1

1.1.1 燃料电池早期的发展 1

1.1.2 几种燃料电池的发展历史 3

1.1.3 燃料电池的著名人物 7

1.1.4 燃料电池发展里程碑 10

1.2 电化学原理 11

1.2.1 基本原理 11

1.2.2 燃料电池的热力学 12

1.2.3 燃料电池的动力学 15

1.2.4 燃料电池效率 19

1.3 燃料电池的类型 21

1.3.1 碱性燃料电池 21

1.3.2 磷酸燃料电池 22

1.3.3 熔融碳酸盐燃料电池 23

1.3.4 质子交换膜燃料电池 25

1.3.5 固体氧化物燃料电池 27

1.3.6 几种特殊类型的燃料电池 29

参考文献 31

第2章 质子交换膜燃料电池 33

2.1 质子交换膜燃料电池双极板 33

2.1.1 双极板的功能和特点 33

2.1.2 双极板流场形式 33

2.1.3 双极板的种类 39

2.1.4 总结与展望 45

2.1节参考文献 46

2.2 质子交换膜 47

2.2.1 概述 47

2.2.2 全氟型磺酸膜及其质子交换膜燃料电池技术现状 48

2.2.3 全氟型磺酸膜的改性 51

2.2.4 非全氟型磺酸膜及其复合膜 56

2.2.5 酸碱高分子膜 66

2.2.6 高温质子交换膜燃料电池实验 69

2.2节参考文献 73

2.3 质子交换膜燃料电池电催化剂 82

2.3.1 概述 82

2.3.2 电催化剂的制备方法 83

2.3.3 电催化剂的表征方法 86

2.3.4 质子交换膜燃料电池的阳极催化剂 90

2.3.5 质子交换膜燃料电池的阴极催化剂 105

2.3.6 展望 113

2.3节参考文献 114

2.4 膜电极的制备技术 117

2.4.1 概述 117

2.4.2 气体扩散层材料 119

2.4.3 膜电极的制备 129

2.4.4 薄层膜电极的制备 135

2.4.5 结论 138

2.4节参考文献 138

2.5 质子交换膜燃料电池的性能特性 140

2.5.1 理论电压 140

2.5.2 能量转换效率 142

2.5.3 电性能 143

2.5.4 温度特性 144

2.5.5 压力特性 146

2.5.6 CO的影响 147

2.5.7 寿命 148

2.5.8 电堆性能特性 149

2.5.9 性能挑战 151

2.5节参考文献 153

2.6 质子交换膜燃料电池模型概述 154

2.6.1 电化学模型 154

2.6.2 质量传递模型 157

2.6.3 传热传质模型 163

2.6节参考文献 167

2.7 质子交换膜燃料电池发电系统设计 170

2.7.1 燃料电池系统构成与技术要求 170

2.7.2 空气供给系统 172

2.7.3 氢源及供给系统 173

2.7.4 加湿系统 178

2.7.5 冷却系统 180

2.7.6 控制系统 181

2.7节参考文献 181

第3章 碱性燃料电池 183

3.1 概述 183

3.1.1 发展历史 183

3.1.2 工作原理 184

3.2 电池结构 184

3.2.1 电极 184

3.2.2 电解质 186

3.2.3 排水方法 186

3.2.4 CO2毒化问题 187

3.3 碱性燃料电池与质子交换膜燃料电池的比较 187

3.4 碱性燃料电池的应用 189

参考文献 192

第4章 磷酸型燃料电池 194

4.1 发电原理 194

4.2 特点与工作条件 194

4.2.1 特点 194

4.2.2 工作条件 195

4.3 工作条件对电池性能的影响 195

4.3.1 工作压力的影响 195

4.3.2 工作温度的影响 196

4.3.3 燃料的影响 196

4.3.4 氧化剂组成和利用率的影响 198

4.4 磷酸型燃料电池系统基本组成 198

4.4.1 燃料电池本体 198

4.4.2 燃料转化装置 199

4.4.3 热量管理单元 200

4.4.4 系统控制单元 202

4.5 磷酸型燃料电池关键材料 204

4.5.1 电催化剂 204

4.5.2 三相电极作用原理与电极结构 205

4.5.3 电解质与隔膜 208

4.5.4 双极板 209

4.6 磷酸型燃料电池技术的现状与未来 209

参考文献 210

第5章 直接醇类燃料电池 212

5.1 工作原理 212

5.2 基本结构 213

5.3 直接醇类燃料电池的研发概况 213

5.3.1 氢作燃料的不安全性 213

5.3.2 直接醇类燃料电池的发展概况 214

5.3.3 直接醇类燃料电池还存在的问题 216

5.4 阳极催化剂 217

5.4.1 甲醇氧化的机理研究 217

5.4.2 Pt基阳极催化剂 218

5.4.3 非金属催化剂 222

5.4.4 影响催化剂电催化性能的结构因素 222

5.4.5 催化剂的制备方法 223

5.5 阴极催化剂 225

5.5.1 Pt基复合催化剂 225

5.5.2 过渡金属大环化合物催化剂 226

5.5.3 Chevrel相催化剂 227

5.5.4 过渡金属硫化物催化剂 227

5.5.5 过渡金属羰基化合物催化剂 228

5.5.6 其他类型催化剂 228

5.6 质子交换膜 228

5.6.1 改性Nafion膜 228

5.6.2 聚四氟乙烯为基底的复合膜 230

5.6.3 无机化合物-聚合物复合膜 230

5.6.4 接枝膜 231

5.6.5 非氟均聚膜 232

5.6.6 共混膜 233

5.7 甲醇替代燃料 233

5.7.1 乙醇 233

5.7.2 其他小分子醇 235

5.7.3 甲酸 236

5.7.4 其他甲醇替代燃料 237

5.8 直接醇类燃料电池结构 238

5.9 商业化前景 241

参考文献 241

第6章 熔融碳酸盐燃料电池 252

6.1 熔融碳酸盐燃料电池的工作原理 252

6.1.1 熔融碳酸盐燃料电池的原理 252

6.1.2 熔融碳酸盐燃料电池的技术特点 253

6.2 熔融碳酸盐燃料电池的技术现状 253

6.2.1 国外熔融碳酸盐燃料电池的技术现状 253

6.2.2 国内熔融碳酸盐燃料电池的技术现状 256

6.3 熔融碳酸盐燃料电池的关键材料及制备 257

6.3.1 熔融碳酸盐燃料电池隔膜的材料 257

6.3.2 熔融碳酸盐燃料电池隔膜的制备 258

6.3.3 熔融碳酸盐燃料电池隔膜的性能 258

6.3.4 熔融碳酸盐燃料电池电极的材料和制备 259

6.3.5 熔融碳酸盐燃料电池双极板材料和制备 260

6.4 熔融碳酸盐燃料电池结构 260

6.4.1 熔融碳酸盐燃料电池单电池结构 260

6.4.2 熔融碳酸盐电池组结构 261

6.4.3 熔融碳酸盐发电系统结构 261

6.5 熔融碳酸盐燃料电池的制备和运行 262

6.5.1 熔融碳酸盐燃料电池测试系统 262

6.5.2 熔融碳酸盐燃料电池现场烧结 262

6.5.3 熔融碳酸盐燃料电池的性能 263

6.5.4 熔融碳酸盐燃料电池的运行 263

6.6 熔融碳酸盐燃料电池电站 264

6.6.1 天然气熔融碳酸盐燃料电池电站的构成 264

6.6.2 煤气化熔融碳酸盐燃料电池、燃气轮机、汽轮机联合发电厂 264

6.7 影响熔融碳酸盐燃料电池性能和寿命的主要因素分析 266

6.7.1 温度的影响 267

6.7.2 压力的影响 267

6.7.3 反应气体组分和利用率的影响 269

6.7.4 电流密度的影响 269

6.7.5 电解质的成分和电解质板结构 270

6.7.6 气体中杂质的影响 270

6.7.7 熔融碳酸盐燃料电池设计时的几条原则 271

6.8 熔融碳酸盐燃料电池技术开发重点及主要课题 272

参考文献 273

第7章 固体氧化物燃料电池 275

7.1 固体氧化物燃料电池关键材料 275

7.1.1 电解质 276

7.1.2 阴极 287

7.1.3 阳极 293

7.1.4 连接材料 301

7.1.5 致密电解质薄膜的制备技术 301

7.1节参考文献 303

7.2 新型中、低温氧化物／陶瓷燃料电池的材料研发 305

7.2.1 质子在含氧酸盐中的传导 305

7.2.2 具有NaCl结构盐和其复合陶瓷中的质子传导 307

7.2.3 氟化物结构盐及其复合陶瓷 308

7.2.4 卤化盐中质子和氧离子电导产生的缺陷化学 311

7.2.5 氧化铈基的复合材料 312

7.2.6 钙钛矿氧化物-盐（或氧化物）的复合电解质体系 321

7.2.7 纳米结构的薄膜复合材料 324

7.2.8 氧化铈（搀杂氧化铈）-金属的复合材料 325

7.2.9 氧化铈中氢／质子相关的缺陷化学 327

7.2.10 离子在氧化铈基复合材料中的传导和增强机制 328

7.2.11 基于现有复合材料研究的启发和其他尝试 330

7.2.12 电池的材料方案以及质子和氧离子共传导材料 331

7.2节参考文献 333

7.3 低温固体氧化物燃料电池的发展方向 335

7.3.1 引言 335

7.3.2 电解质材料 336

7.3.3 阳极材料 341

7.3.4 阴极材料 342

7.3.5 封接材料 343

7.3.6 单电池与电堆 345

7.3节参考文献 347

第8章 金属／空气燃料电池 350

8.1 概述 350

8.1.1 工作原理 350

8.1.2 金属／空气燃料电池的特点 351

8.1.3 研究历史 352

8.2 锌负极 353

8.2.1 锌负极的电化学反应 353

8.2.2 影响碱性锌电极性能的因素 354

8.2.3 锌／空气（燃料）电池中锌负极的特殊性 356

8.2.4 锌电极的形态 357

8.3 铝负极 358

8.3.1 铝负极的特征 358

8.3.2 铝合金负极 359

8.3.3 电解质及添加剂 360

8.4 碱性空气电极 360

8.4.1 碱性介质中的氧还原催化剂 361

8.4.2 空气电极的结构 363

8.4.3 空气电极的制备工艺 363

8.5 电解质 364

8.5.1 液态电解质 365

8.5.2 碱性聚合物电解质 365

8.5.3 离子液体电解质体系 368

8.6 金属／空气燃料电池的结构设计与应用 369

8.6.1 负极可更换的锌／空气燃料电池 369

8.6.2 可现场加注燃料的锌／空气燃料电池 371

参考文献 372

第9章 燃料电池的应用与前景 375

9.1 燃料电池应用概述 375

9.2 便携式电源 376

9.2.1 便携式系统对于电源的要求 377

9.2.2 轻便电源 378

9.2.3 笔记本电脑电源 382

9.2.4 手机、数码摄像机、PDA电源 384

9.2.5 微型燃料电池前景预测 388

9.3 燃料电池电动车 388

9.3.1 电动车的发展历史 388

9.3.2 燃料电池公共汽车 390

9.3.3 燃料电池轿车 397

9.3.4 燃料电池轻便车辆 405

9.3.5 燃料电池特种车辆 408

9.4 燃料电池电站 410

9.4.1 燃料电池电站概况 410

9.4.2 碱性燃料电池电站 413

9.4.3 磷酸燃料电池电站 413

9.4.4 质子交换膜燃料电池电站 414

9.4.5 熔融碳酸盐燃料电池电站 416

9.4.6 固体氧化物燃料电池电站 418

9.5 燃料电池舰艇与飞机 419

9.5.1 燃料电池潜艇 419

9.5.2 水面船只 421

9.5.3 燃料电池飞机 422

参考文献 424