氢能产业发展与技术丛书 燃料电池关键技术

本书由中国电力企业联合会氢能分会组编，国家电投集团氢能科技发展有限公司编写，内容包括燃料电池概论、燃料电池基本理论、质子交换膜燃料电池、质子交换膜燃料电池系统、固体氧化物燃料电池、其他燃料电池和燃料电池的应用。本书重点介绍燃料电池基本理论、质子交换膜燃料电池关键材料、电堆及系统，以及固体氧化物燃料电池，列举交通和电力两大领域应用场景案例。
本书适合氢能及燃料电池行业的研究、开发、生产及应用等领域的专业人士以及广大爱好者阅读使用，也适合高等院校氢能及能源相关专业的师生阅读参考。

中国电力企业联合会氢能分会是中国电力企业联合会的分支机构，中国电力企业联合会氢能分会的成立是全面推进我国能源绿色转型及实现“碳达峰碳中和”目标进程的重要一步。

目录
丛书序
前 言
第1 章 燃料电池概论 1
1.1 燃料电池的基本原理及分类 1
1.1.1 燃料电池的基本原理 1
1.1.2 燃料电池的分类 2
1.2 燃料电池发展情况及标准体系 4
1.2.1 燃料电池简史 4
1.2.2 燃料电池技术现状 6
1.2.3 燃料电池标准体系 13
1.3 燃料电池发展展望 18
1.3.1 氢燃料电池发展展望 18
1.3.2 氢燃料电池发展机遇 20
第2 章 燃料电池基本理论 22
2.1 氢的热值 22
2.1.1 反应焓的计算 22
2.1.2 温度对焓的影响 23
2.2 燃料的最大电功 23
2.3 可逆电压 24
2.3.1 可逆电压和吉布斯自由能的关系 24
2.3.2 非标准条件下的可逆电压 26
2.4 氢的高热值和低热值 29
2.5 电极反应动力学 29
2.5.1 反应动力学简介 29
2.5.2 电化学反应速率 31
2.5.3 电流与电势差的关系——巴特勒 ？ 沃尔默方程 33
2.5.4 交换电流密度与电催化 36
2.6 燃料电池实际电压 38
2.6.1 电压损耗 38
2.6.2 燃料电池的实际电压 41
2.7 燃料电池效率 44
2.7.1 理论效率 44
2.7.2 实际效率 45
2.7.3 辅助系统效率 46
第3 章 质子交换膜燃料电池 48
3.1 工作原理及组成 48
3.1.1 工作原理 48
3.1.2 基本组成 48
3.2 催化剂 53
3.2.1 催化机理 53
3.2.2 Pt/C 催化剂 55
3.2.3 Pt 基合金催化剂 56
3.2.4 Pt 基核壳结构催化剂 57
3.2.5 形状可控的Pt 基催化剂 58
3.2.6 碳基非贵金属催化材料 60
3.2.7 氧化物电极催化剂 61
3.2.8 催化剂的耐久性 62
3.3 质子交换膜 66
3.3.1 质子交换膜的性能及要求 67
3.3.2 全氟磺酸质子交换膜 73
3.3.3 部分氟化聚合物质子交换膜 76
3.3.4 非氟化聚合物质子交换膜 77
3.3.5 复合质子交换膜 77
3.3.6 质子交换膜的制备方法 78
3.3.7 质子交换膜的耐久性 81
3.4 气体扩散层 83
3.4.1 气体扩散层概述 83
3.4.2 气体扩散层的制备工艺 86
3.4.3 气体扩散层的降解 88
3.4.4 气体扩散层的水/气传输 90
3.5 膜电极 91
3.5.1 膜电极的组成及功能 91
3.5.2 膜电极的要求 92
3.5.3 膜电极的制备工艺 93
3.5.4 膜电极耐久性测试 99
3.6 双极板 103
3.6.1 双极板概述 103
3.6.2 双极板流场结构 105
3.6.3 双极板材料 109
3.6.4 双极板制备工艺 112
3.7 燃料电池电堆 117
3.7.1 电堆的结构及组装 117
3.7.2 电堆活化 123
3.7.3 燃料电池的工作条件 127
3.7.4 电堆的水管理 129
3.7.5 电堆的热管理 133
3.7.6 电堆的耐久性 134
3.8 氢气的品质要求及影响 140
3.8.1 氢气品质要求 140
3.8.2 杂质对燃料电池的影响 141
第4 章 质子交换膜燃料电池系统 145
4.1 系统组成 145
4.1.1 空气供应子系统 146
4.1.2 氢气供应子系统 146
4.1.3 热管理子系统 147
4.1.4 电控子系统 148
4.2 关键部件及匹配 148
4.2.1 空气压缩机 148
4.2.2 氢气循环装置 152
4.2.3 增湿器 159
4.3 燃料电池系统安全 160
4.3.1 氢的特性 161
4.3.2 燃料电池系统关键部件安全及防护 161
4.3.3 燃料电池电堆安全测评技术 164
4.3.4 燃料电池系统安全测评技术 167
第5 章 固体氧化物燃料电池 170
5.1 固体氧化物燃料电池的原理与结构 170
5.1.1 固体氧化物燃料电池的工作原理 170
5.1.2 固体氧化物燃料电池的分类 172
5.1.3 固体氧化物燃料电池的结构 173
5.2 固体氧化物燃料电池关键材料 175
5.2.1 电解质材料 175
5.2.2 阳极材料 179
5.2.3 阴极材料 181
5.2.4 连接体材料 182
5.2.5 密封材料 183
5.3 固体氧化物燃料电池反应机理 183
5.3.1 氢气电化学氧化反应机理 183
5.3.2 一氧化碳电化学氧化反应机理 185
5.3.3 碳氢燃料重整反应机理 185
5.3.4 碳氢燃料直接电化学氧化反应机理 187
5.3.5 积碳反应机理 187
5.3.6 硫化氢中毒及氧化 188
5.4 固体氧化物燃料电池性能与衰减 189
5.4.1 固体氧化物燃料电池性能 189
5.4.2 固体氧化物燃料电池衰减 189
5.5 固体氧化物燃料电池的制备方法 191
5.5.1 材料的制备方法 191
5.5.2 电解质层与多孔电极的常见制备方法 192
5.5.3 固体氧化物燃料电池的制备工艺 194
第6 章 其他燃料电池 196
6.1 碱性燃料电池 196
6.1.1 碱性燃料电池的基本原理与结构 196
6.1.2 碱性燃料电池关键材料 198
6.2 磷酸燃料电池 202
6.2.1 磷酸燃料电池的基本原理与结构 202
6.2.2 磷酸燃料电池关键材料 203
6.3 熔融碳酸盐燃料电池 205
6.3.1 熔融碳酸盐燃料电池的基本原理与结构 205
6.3.2 熔融碳酸盐燃料电池关键材料 207
第7 章 燃料电池的应用 210
7.1 交通领域 210
7.1.1 燃料电池汽车 210
7.1.2 燃料电池船舶 219
7.1.3 航空领域 220
7.1.4 轨道交通 222
7.2 电力领域 224
7.2.1 集中式燃料电池发电 224
7.2.2 分布式燃料电池发电 225
7.2.3 热电联供 226
7.2.4 备用电源 226
参考文献 228