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第1章 绪论1

1.1 什么是燃料电池1

1.2 燃料电池简史3

1.3 燃料电池的类型6

1.4 PEM燃料电池如何工作7

1.5 为何需要燃料电池9

1.6 燃料电池的应用10

参考文献12

第2章 燃料电池化学和热力学基础13

2.1 基本反应13

2.2 反应热13

2.3 氢的高热值和低热值14

2.4 理论电功15

2.5 燃料电池的理论电势15

2.6 温度效应16

2.7 燃料电池的理论效率18

2.8 卡诺效率的神话19

2.9 压力效应21

2.10 小结22

问题22

测验23

参考文献24

第3章 燃料电池的电化学25

3.1 电极反应动力学25

3.1.1 反应速率25

3.1.2 反应常数：转移系数26

3.1.3 电流与电位的关系：巴特勒-沃尔默方程27

3.1.4 交换电流密度28

3.2 电压损耗28

3.2.1 活化极化29

3.2.2 内部电流和渗透损耗31

3.2.3 电阻（欧姆）损耗32

3.2.4 浓度极化34

3.3 电池电势：极化曲线35

3.4 燃料电池的电势分布37

3.5 极化曲线的参数灵敏度37

3.5.1 转移系数／塔菲尔斜率的影响38

3.5.2 交换电流密度的影响39

3.5.3 氢渗透和内部电流损耗的影响40

3.5.4 内阻的影响41

3.5.5 极限电流密度的影响41

3.5.6 工作压力的影响42

3.5.7 空气与氧气对比43

3.5.8 工作温度的影响43

3.6 燃料电池效率44

3.7 燃料电池极化曲线的含义和用途45

3.7.1 由极化曲线得到的其他曲线45

3.7.2 极化曲线的线性近似47

3.7.3 利用极化曲线改变燃料电池的尺寸48

问题51

测验52

参考文献54

第4章 电池主要部件、材料特性和过程55

4.1 电池描述55

4.2 膜56

4.2.1 吸水性57

4.2.2 物理特性58

4.2.3 质子电导率60

4.2.4 水传输61

4.2.5 气体渗透65

4.2.6 高温膜67

4.3 电极68

4.4 气体扩散层72

4.4.1 处理和涂层73

4.4.2 孔隙度75

4.4.3 电导率75

4.4.4 可压缩性75

4.4.5 渗透性75

4.5 双极板76

4.5.1 材料77

4.5.2 特性78

问题82

测验82

参考文献84

第5章 燃料电池的工作条件87

5.1 工作压力87

5.2 工作温度89

5.3 反应物流量91

5.4 反应物湿度95

5.5 燃料电池的质量平衡105

5.5.1 入口流量106

5.5.2 出口流量107

5.6 燃料电池的能量平衡109

问题113

测验114

参考文献115

第6章 电池组设计116

6.1 燃料电池组的尺寸116

6.2 电池组结构119

6.3 反应物对各电池单元均匀分布122

6.4 反应物在电池单元内部均匀分布126

6.4.1 流场形状126

6.4.2 流场朝向127

6.4.3 通道结构128

6.4.4 通道形状、尺寸和间距130

6.4.5 流场压降132

6.5 燃料电池组散热137

6.5.1 电池组的热平衡138

6.5.2 热传导139

6.5.3 主动散热142

6.5.4 通过自然对流和辐射的电池组散热146

6.5.5 电池组冷却的备选方法147

6.6 电池组夹紧结构151

问题153

测验154

参考文献155

第7章 燃料电池建模158

7.1 理论和控制方程159

7.1.1 质量守恒159

7.1.2 动量守恒160

7.1.3 能量守恒160

7.1.4 组分守恒162

7.1.5 电荷守恒163

7.2 建模域164

7.3 建模示例166

7.3.1 通过膜的一维模型166

7.3.2 一维催化剂层模型170

7.3.3 二维通道上方模型173

7.3.4 沿通道的二维模型174

7.3.5 三维模型179

7.3.6 通过气体扩散层模型／孔隙网络模型181

7.4 小结185

问题185

测验185

参考文献187

第8章 燃料电池故障诊断189

8.1 电化学技术190

8.1.1 极化曲线190

8.1.2 电流中断191

8.1.3 电化学阻抗光谱学193

8.1.4 其他电化学方法197

8.2 物理和化学方法200

8.2.1 组分分布映射200

8.2.2 温度分布205

8.2.3 电流分布映射206

8.3 小结208

问题209

测验209

参考文献210

第9章 燃料电池系统设计216

9.1 氢／氧系统216

9.1.1 氧供应216

9.1.2 氢供应219

9.1.3 水／热处理：系统集成222

9.2 氢／空气系统223

9.2.1 空气供应223

9.2.2 被动式空气供应228

9.2.3 氢供应229

9.2.4 增湿方案230

9.2.5 水／热处理：系统集成233

9.3 具有燃料处理器的燃料电池系统237

9.3.1 基本过程和反应237

9.3.2 蒸汽重组239

9.3.3 部分氧化和自热重组241

9.3.4 重组对燃料电池性能的影响246

9.3.5 系统集成249

9.4 电气子系统255

9.5 系统效率259

问题262

测验263

参考文献264

第10章 燃料电池的应用266

10.1 交通运输应用266

10.1.1 汽车266

10.1.2 公共汽车275

10.1.3 多用途汽车278

10.1.4 摩托车和自行车279

10.2 固定电源279

10.2.1 固定式燃料电池系统的分类281

10.2.2 系统结构282

10.2.3 整个燃料电池系统的效率284

10.2.4 燃料电池系统的经济性285

10.3 备用电源294

10.4 用于小型便携式电源的燃料电池297

10.5 可再生燃料电池及其应用300

10.5.1 折中设计300

10.5.2 可再生燃料电池的应用302

问题304

测验305

参考文献306

第11章 聚合物电解质燃料电池的耐久性309

11.1 简介309

11.2 本章主要内容与组织结构310

11.3 性能损失的类型310

11.3.1 极化变化曲线的关键极限情况311

11.3.2 实际极化变化曲线分析312

11.4 与不同类型的损失有关的PEFC组件313

11.4.1 催化活性损失314

11.4.2 欧姆损失315

11.4.3 反应物质量传输损失315

11.4.4 向外泄漏、反应物渗透和电气短路316

11.5 工作条件316

11.5.1 电势需求317

11.5.2 温度323

11.5.3 电解质和湿度323

11.6 加速测试方法325

11.7 小结和未来展望327

致谢328

参考文献328

第12章 未来的燃料电池和氢330

12.1 简介330

12.2 氢燃料简史330

12.3 氢能源技术332

12.3.1 制氢技术332

12.3.2 储氢技术334

12.3.3 运输和分配技术336

12.3.4 氢能利用技术337

12.3.5 氢作为燃料的安全性338

12.4 目前的全球能源系统是否可持续341

12.5 未来预测344

12.6 未来可持续能源系统348

12.7 氢过渡或“负氢经济”351

12.8 未来能源革命353

12.9 小结354

参考文献355