车用燃料电池技术

质子交换膜燃料电池是一种通过电化学反应将燃料与氧化剂内的化学能直接转化为电能的能量转换装置。其具有零污染、低噪音、功率密度高、负载响应快、能量转化效率高等优点，在军事、航天、电动汽车、移动电源、分布式电站等领域得到越来越广泛的应用。按照党中央、国务院决策部署，自2009年以来财政部同有关部门大力支持新能源汽车产业发展。在新能源汽车领域，燃料电池汽车以其高效、清洁、安静等优点，被认为是21世纪很有发展前景的新能源优选环保型汽车。本书紧跟政策与时代发展步伐，较全面的介绍了车载燃料电池技术。首先，本书深入浅出地对燃料电池发展史、燃料电池基本原理及特性、质子交换膜燃料电池核心部件等燃料电池基础知识、科学原理进行了讲解。随后，对应用层面的车载燃料电池系统、燃料电池测试于表征、车载燃料电池特殊工况及问题进行了阐述。很后，对车载燃料电池燃料，氢的特性及安全进行了介绍。本书希望通过与读者分享较全面的车载燃料电池技术知识，起到推广燃料电池，推动燃料电池汽车行业发展的作用。

目录
前言
章 燃料电池简介 1
1.1 燃料电池的定义 1
1.1.1 与二次电池的比较 1
1.1.2 与内燃机的比较 3
1.2 燃料电池分类 4
1.2.1 质子交换膜燃料电池 4
1.2.2 固体氧化物燃料电池 6
1.2.3 熔融碳酸盐燃料电池 7
1.2.4 磷酸型燃料电池 8
1.2.5 碱性燃料电池 9
1.3 燃料电池的优缺点 10
1.4 燃料电池的历史与应用 12
1.4.1 燃料电池的发展历史 12
1.4.2 燃料电池的车载应用 13
1.4.3 燃料电池其他方面的应用 14
1.5 本章小结 15
思考题 15
参考文献 16
第2章 燃料电池基本原理及传输特性 18
2.1 燃料电池热力学 18
2.1.1 热力学简介 19
2.1.2 燃料电池的热和功：能斯特方程 19
2.1.3 燃料电池的电极电势 20
2.1.4 燃料电池的效率 21
2.2 燃料电池动力学 23
2.2.1 动力学简介 23
2.2.2 燃料电池的反应速率：交换电流密度 24
2.2.3 燃料电池的反应电势：伽伐尼电势 25
2.2.4 燃料电池的极化特性 26
2.2.5 燃料电池动力学性能的改善 29
2.3 燃料电池电荷传输 29
2.3.1 燃料电池中的电荷转移 30
2.3.2 燃料电池中的电荷传输阻抗分析 31
2.3.3 燃料电池电解质的种类与选择 32
2.4 燃料电池质量传输 33
2.4.1 膜电极与流道间的质量传输 33
2.4.2 膜电极内部结构的质量传输 34
2.4.3 流道内部结构的质量传输 35
2.5 本章小结 36
思考题 37
参考文献 37
第3章 质子交换膜燃料电池的核心部件 39
3.0 引言 39
3.1 膜电极 39
3.1.1 催化剂 40
3.1.2 质子交换膜 43
3.1.3 气体扩散层 44
3.1.4 三合一膜电极制备工艺 47
3.2 双极板 51
3.2.1 材料选取 52
3.2.2 流场设计 54
3.3 密封件 56
3.4 端板 56
3.5 本章小结 57
思考题 57
参考文献 57
第4章 车用燃料电池系统 60
4.0 引言 60
4.1车载质子交换膜燃料电池电堆及系统 60
4.1.1 质子交换膜燃料电池电堆结构 60
4.1.2 质子交换膜燃料电池电堆装配 61
4.1.3 车载质子交换膜燃料电池电堆设计 63
4.1.4 车用燃料电池系统结构及分类 64
4.2 氢气供应子系统 67
4.2.1 储氢罐 69
4.2.2 减压阀和截止阀 71
4.2.3 气液分离器 71
4.2.4 引射器和氢气循环泵 72
4.3 空气供应子系统 74
4.3.1 空气过滤装置 74
4.3.2 空气压缩机 76
4.3.3 压力传感器 78
4.3.4 加湿模块 82
4.4 水热管理子系统 84
4.4.1 燃料电池水管理系统 85
4.4.2 燃料电池热管理系统 87
4.4.3 水冷装置 88
4.4.4 辅助加热装置 90
4.5 电控子系统 91
4.5.1 功率二极管 91
4.5.2 开关器件 92
4.5.3 逆变器 93
4.5.4 辅助电源 94
4.5.5 升压变换器 95
4.5.6 电动机 96
4.6 本章小结 97
思考题 97
参考文献 97
第5章 燃料电池测试与表征 100
5.0 引言 100
5.1 燃料电池测试准备步骤 100
5.1.1 检查组件连接 100
5.1.2 燃料电池活化 101
5.1.3 测试步骤 102
5.2 极化曲线 102
5.2.1 开路电压 102
5.2.2 活化极化 103
5.2.3 欧姆极化 103
5.2.4 传质极化 104
5.3 电化学阻抗谱 104
5.3.1 Nyquist图 104
5.3.2 Bode图 106
5.3.3 其他电阻测试方法 106
5.4 循环伏安图 107
5.4.1 氢氧化与氧还原反应 108
5.4.2 具体应用 108
5.5 线性扫描伏安法 109
5.5.1 极限电流密度 109
5.5.2 具体应用 110
5.6 燃料电池分区测试技术 111
5.6.1 电阻网络技术 111
5.6.2 印刷电路板测试技术 112
5.6.3 电磁感应技术 117
5.7 燃料电池组件表征 117
5.7.1 形貌表征 117
5.7.2 光谱分析 119
5.7.3 结构分析 124
5.8 本章小结 126
思考题 127
参考文献 128
第6章 车用燃料电池工况 131
6.1 车载 PEMFC电堆的开发目标 131
6.2 燃料电池动态工况 135
6.2.1 美国能源部动态测试协议 135
6.2.2 新欧洲驾驶循环 136
6.2.3 动态工况下 PEMFC性能衰减机制分析 137
6.3 启停工况与耐久性 137
6.3.1 启停工况衰减机制 138
6.3.2 延长燃料电池启停寿命的方法 139
6.4 冷启动 140
6.4.1 电堆冷启动机制及冷启动特性研究 141
6.4.2 冷启动过程衰减特征 142
6.4.3 电堆低温启动策略 144
6.5 本章小结 146
思考题 146
参考文献 147
第7章 氢气特性及安全 148
7.1 氢气的性质 148
7.1.1 泄漏性 148
7.1.2 氢脆 150
7.1.3 氢扩散 150
7.1.4 易燃性 151
7.1.5 点火能 152
7.1.6 爆炸性 154
7.1.7 液氢的特殊性质 155
7.2 氢气的制备 156
7.2.1 化石燃料制氢 157
7.2.2 工业副产制氢 162
7.2.3 电解水制氢 163
7.2.4 其他制氢技术 168
7.2.5 氢气的提纯 176
7.3 氢气储运方式 181
7.3.1 氢气储存 181
7.3.2 氢气运输 187
7.4 氢安全 189
7.4.1 车载氢安全 189
7.4.2 故障模式风险评估 190
7.4.3 氢气安全使用的一般措施 193
7.5 本章小结 194
思考题 195
参考文献 195
附表A 本书常用缩略词中英文对照表 197
附表B 本书常数表 199