燃料電池系統(tǒng)解析 原書第3版

作譯者簡介
前言
第1章燃料電池引言……1
1.1研究歷史……1
1.2燃料電池基礎(chǔ)知識……6
1.3電極反應(yīng)速率……8
1.4電堆設(shè)計……9
1.5供氣和冷卻……12
1.6主要技術(shù)……14
1.7可機(jī)械充電的電池和其他燃料電池……16
1.7.1金屬空氣電池……16
1.7.2氧化還原流通電池……17
1.7.3生物燃料電池……19
1.8電池的輔助系統(tǒng)設(shè)備……19
1.9燃料電池系統(tǒng)：關(guān)鍵參數(shù)……20
1.10優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用……21
擴(kuò)展閱讀……21
第2章效率和開路電壓……22
2.1開路電壓：氫燃料電池……22
2.2開路電壓：其他燃料電池和電池……26
2.3效率及其限制……26
2.4效率和電壓……29
2.5壓力和氣體濃度的影響……30
2.5.1能斯特方程……30
2.5.2氫分壓……32
2.5.3燃料和氧化劑的利用……32
2.5.4系統(tǒng)壓力……33
2.6小結(jié)……34
擴(kuò)展閱讀……34
第3章燃料電池的工作電壓……35
3.1電壓與電流的基本關(guān)系……35
3.2術(shù)語……36
3.3燃料電池的不可逆性……37
3.4活化損失……38
3.4.1塔菲爾方程……38
3.4.2塔菲爾方程常數(shù)……39
3.4.3降低極化電位……42
3.5內(nèi)部電流和燃料交換損失……42
3.6歐姆損失……45
3.7質(zhì)量傳輸損失……45
3.8合并不可逆項(xiàng)……47
3.9電氣雙層……47
3.10辨別不可逆項(xiàng)的方法……49
3.10.1循環(huán)伏安法……49
3.10.2交流阻抗譜……51
3.10.3電流中斷……54
擴(kuò)展閱讀……56
第4章質(zhì)子交換膜燃料電池……57
4.1概述……57
4.2高分子電解質(zhì)：工作原理……60
4.2.1全氟磺酸膜……60
4.2.2改性的全氟磺酸膜……63
4.2.3替代磺化和非磺化膜……64
4.2.4酸堿絡(luò)合物和離子液體……65
4.2.5高溫質(zhì)子導(dǎo)體……66
4.3電極與電極結(jié)構(gòu)……67
4.3.1催化劑層：鉑基催化劑……67
4.3.2催化劑層：用于還原氧氣的替代催化劑……70
4.3.3催化劑層：陽極……73
4.3.4催化劑耐久性……73
4.3.5氣體擴(kuò)散層……74
4.4水管理……76
4.4.1水合與水運(yùn)動……76
4.4.2氣流和水蒸發(fā)……78
4.4.3空氣濕度……80
4.4.4自加濕電池……82
4.4.5外部加濕的原理……84
4.4.6外部加濕的方法……85
4.5冷卻和空氣供應(yīng)……86
4.5.1陰極送風(fēng)冷卻……86
4.5.2反應(yīng)物和冷卻空氣分開……87
4.6電堆構(gòu)造方法……89
4.6.1簡介……89
4.6.2碳基雙極板……90
4.6.3金屬雙極板……91
4.6.4流場形式……93
4.6.5其他拓?fù)湫问健?4
4.6.6混合反應(yīng)物燃料電池……96
4.7電池工作壓力……97
4.7.1技術(shù)問題……97
4.7.2高壓工作的優(yōu)勢……98
4.7.3其他因素……101
4.8燃料種類……101
4.8.1重整烴類……101
4.8.2酒精和其他液體燃料……102
4.9實(shí)際應(yīng)用的商業(yè)化燃料電池系統(tǒng)……103
4.9.1小型系統(tǒng)……103
4.9.2中型燃料電池系統(tǒng)及固定電站應(yīng)用……104
4.9.3在交通系統(tǒng)中的應(yīng)用……106
4.10系統(tǒng)設(shè)計、電堆生命周期及相關(guān)問題……108
4.10.1膜降解……108
4.10.2催化劑降解……108
4.10.3系統(tǒng)控制……109
4.11組合式可再生燃料電池……109
擴(kuò)展閱讀……112
第5章堿性燃料電池……113
5.1工作原理……113
5.2系統(tǒng)設(shè)計……114
5.2.1循環(huán)電解質(zhì)溶液……114
5.2.2靜態(tài)電解質(zhì)溶液……117
5.2.3溶解燃料……119
5.2.4陰離子交換膜燃料電池……120
5.3電極……122
5.3.1燒結(jié)鎳粉……123
5.3.2雷尼金屬……123
5.3.3軋制碳……123
5.3.4催化劑……125
5.4電堆設(shè)計……126
5.4.1單極和雙極……126
5.4.2其他電堆設(shè)計……126
5.5工作壓力和溫度……127
5.6機(jī)遇與挑戰(zhàn)……130
擴(kuò)展閱讀……130
燃料電池系統(tǒng)解析原書第3版第6章直接液體燃料電池……131
6.1直接甲醇燃料電池……131
6.1.1工作原理……133
6.1.2與質(zhì)子交換膜電解質(zhì)的電極反應(yīng)……134
6.1.3與堿性電解質(zhì)的電極反應(yīng)……135
6.1.4陽極催化劑……135
6.1.5陰極催化劑……136
6.1.6系統(tǒng)設(shè)計……136
6.1.7燃料交換……138
6.1.8減少燃料交換的標(biāo)準(zhǔn)方法……138
6.1.9減少燃料交換的前瞻性方法……139
6.1.10甲醇生產(chǎn)……140
6.1.11甲醇安全與儲存……140
6.2直接乙醇燃料電池……141
6.2.1工作原理……141
6.2.2乙醇氧化、催化劑及反應(yīng)機(jī)理……142
6.2.3低溫運(yùn)行時的性能和挑戰(zhàn)……144
6.2.4高溫直接乙醇燃料電池……144
6.3直接丙醇燃料電池……144
6.4直接乙二醇燃料電池……145
6.4.1工作原理……145
6.4.2乙二醇：陽極氧化……146
6.4.3電池性能……146
6.5甲酸燃料電池……147
6.5.1甲酸：陽極氧化……147
6.5.2電池性能 ……148
6.6硼氫化物燃料電池……148
6.6.1陽極催化劑……150
6.6.2挑戰(zhàn)……150
6.7直接液體燃料電池的應(yīng)用……152
擴(kuò)展閱讀……154
第7章磷酸燃料電池……155
7.1高溫燃料電池系統(tǒng)……155
7.2系統(tǒng)設(shè)計……156
7.2.1燃料加工……156
7.2.2燃料利用……157
7.2.3熱交換器……160
7.3操作原則……163
7.3.1電解液……163
7.3.2電極和催化劑……164
7.3.3電堆構(gòu)造……165
7.3.4電堆冷卻和歧管……166
7.4性能……167
7.4.1操作壓力……168
7.4.2工作溫度……168
7.4.3燃料和氧化劑成分的影響……169
7.4.4一氧化碳和硫的影響……169
7.5技術(shù)發(fā)展……170
擴(kuò)展閱讀……172
第8章熔融碳酸鹽燃料電池……173
8.1工作原理……173
8.2電池組件……176
8.2.1電解質(zhì)……177
8.2.2陽極……178
8.2.3陰極……179
8.2.4非多孔組件……180
8.3電堆構(gòu)造和密封……180
8.3.1歧管……181
8.3.2內(nèi)部和外部重整……182
8.4性能……184
8.4.1壓力的影響……184
8.4.2溫度的影響……186
8.5實(shí)際系統(tǒng)……186
8.5.1Fuel Cell Energy（美國）……186
8.5.2Fuel Cell Energy Solutions(歐洲)……189
8.5.3日本設(shè)施……192
8.5.4韓國設(shè)施……192
8.6未來研發(fā)……193
8.7制氫和二氧化碳分離……195
8.8直接碳燃料電池……196
擴(kuò)展閱讀……198
第9章固體氧化物燃料電池……199
9.1工作原理……199
9.1.1高溫（HT）電池……199
9.1.2低溫（IT）電池……201
9.2組件……202
9.2.1HT燃料電池的氧化鋯電解質(zhì)……202
9.2.2IT燃料電池的電解質(zhì)……203
9.2.3陽極……206
9.2.4陰極……209
9.2.5互連材料……210
9.2.6密封材料……210
9.3實(shí)際設(shè)計和堆放布置……211
9.3.1管狀設(shè)計……211
9.3.2平面設(shè)計……214
9.4性能……215
9.5開發(fā)和商業(yè)系統(tǒng)……216
9.5.1管狀SOFC……217
9.5.2平面SOFC……219
9.6聯(lián)合循環(huán)及其他系統(tǒng)……220
擴(kuò)展閱讀……222
第10章燃料電池的燃料……224
10.1綜述……224
10.2化石燃料……227
10.2.1石油……227
10.2.2來自油砂、油頁巖和天然氣水合物的石油……229
10.2.3煤與煤氣……229
10.2.4天然氣和煤層氣……231
10.3生物燃料……232
10.4燃料基本處理……235
10.4.1燃料電池的需求……235
10.4.2脫硫作用……235
10.4.3蒸汽重整……237
10.4.4碳的形成和預(yù)重整……239
10.4.5內(nèi)部重整……241
10.4.6碳?xì)浠衔镏苯友趸?43
10.4.7部分氧化和自熱重整……244
10.4.8太陽能熱重整……245
10.4.9吸附強(qiáng)化重整反應(yīng)……247
10.4.10高溫分解制氫或碳?xì)浠衔锏臒崃呀狻?47
10.4.11燃料進(jìn)一步處理:去除一氧化碳……249
10.5氣體分離膜的發(fā)展……251
10.5.1致密膜……251
10.5.2致密陶瓷膜……252
10.5.3多孔膜……252
10.5.4氧氣分離……252
10.6實(shí)用的燃料處理過程：固定式布置……253
10.6.1工業(yè)蒸汽重整……253
10.6.2天然氣蒸汽重整……254
10.6.3重整和部分氧化設(shè)計……256
10.7實(shí)用的燃料處理過程:移動設(shè)備的應(yīng)用……260
10.8電解槽……262
10.8.1電解槽的使用……262
10.8.2應(yīng)用 ……264
10.8.3電解效率……268
10.8.4光電化學(xué)電池……268
10.9熱化學(xué)制氫和化學(xué)循環(huán)……270
10.9.1熱化學(xué)循環(huán)……270
10.9.2化學(xué)循環(huán)……272
10.10生物制氫……273
10.10.1簡介……273
10.10.2光合作用與水分解……273
10.10.3生物轉(zhuǎn)化反應(yīng)……275
10.10.4消化過程……275
擴(kuò)展閱讀……276
第11章氫氣的存儲……277
11.1從能源戰(zhàn)略出發(fā)進(jìn)行思索……277
11.2氫氣的安全……279
11.3壓縮氫氣……281
11.3.1存儲容器……281
11.3.2儲能效率……282
11.3.3儲氫成本……282
11.3.4安全方面……283
11.4液態(tài)氫……284
11.5可逆的金屬氫化物……286
11.6簡單的含氫化學(xué)物質(zhì)……290
11.6.1有機(jī)物質(zhì)……290
11.6.2堿金屬氫化物……291
11.6.3氨、胺和硼烷……291
11.7復(fù)雜含氫化學(xué)物質(zhì)……293
11.7.1丙酸酯……293
11.7.2硼氫化物……293
11.8納米結(jié)構(gòu)儲氫材料……295
11.9儲氫技術(shù)評估……297
擴(kuò)展閱讀……299
第12章氫燃料電池系統(tǒng)及未來……300
12.1輔助系統(tǒng)零部件……300
12.1.1空壓機(jī)……300
12.1.2渦輪式空壓機(jī)……308
12.1.3引射器循環(huán)器……310
12.1.4風(fēng)扇與鼓風(fēng)機(jī)……310
12.1.5泵……311
12.2功率電子器件……312
12.2.1直流變換器及電子開關(guān)器件……312
12.2.2降壓穩(wěn)壓器……314
12.2.3升壓調(diào)壓器……316
12.2.4逆變器……317
12.2.5燃料電池電力接口及與電網(wǎng)連接問題……322
12.2.6功率因子及其修正……323
12.3燃料電池+蓄電池混合系統(tǒng)……325
12.4燃料電池系統(tǒng)分析……328
12.4.1油井到車輪的效率分析……329
12.4.2傳動系統(tǒng)分析……331
12.4.3生命周期評估……332
12.4.4處理模型……333
12.4.5發(fā)展趨勢……336
12.5商業(yè)現(xiàn)實(shí)……337
12.5.1回到基本盤……337
12.5.2商業(yè)化進(jìn)程……338
12.6未來展望：水晶球中仍然有疑云……340
擴(kuò)展閱讀……342
附錄……343
附錄1摩爾吉布斯自由能變化的計算……343
A1.1氫燃料電池……343
A1.2一氧化碳燃料電池……345
附錄2可用燃料電池方程式……346
A2.1簡介……346
A2.2氧氣和空氣用量……347
A2.3出風(fēng)量……348
A2.4氫氣用量……348
A2.5產(chǎn)水率……349
A2.6發(fā)熱量……350
附錄3燃料電池排氣中空壓機(jī)所需功率和渦輪機(jī)可回收功率的計算……350
A3.1空壓機(jī)所需的功率……350
A3.2渦輪從燃料電池廢氣中回收功率……351
專業(yè)術(shù)語……353