安德魯·L.迪克斯

第1章燃料電池引言1
11研究歷史1
12燃料電池基礎知識6
13電極反應速率8
14電堆設計9
15供氣和冷卻12
16主要技術14
17可機械充電的電池和其他燃料電池16
171金屬空氣電池16
172氧化還原流通電池17
173生物燃料電池19
18電池的輔助系統設備19
19燃料電池系統：關鍵參數20
110優點和應用21
擴展閱讀21

第2章效率和開路電壓22
21開路電壓：氫燃料電池22
22開路電壓：其他燃料電池和電池26
23效率及其限制26
24效率和電壓29
25壓力和氣體濃度的影響30
251能斯特方程30
252氫分壓32
253燃料和氧化劑的利用32
254系統壓力33
26小結34
擴展閱讀34

第3章燃料電池的工作電壓35
31電壓與電流的基本關係35
32術語36
33燃料電池的不可逆性37
34活化損失38
341塔菲爾方程38
342塔菲爾方程常數39
343降低極化電位42
35內部電流和燃料交換損失42
36歐姆損失45
37品質傳輸損失45
38合併不可逆項47
39電氣雙層47
310辨別不可逆項的方法49
3101迴圈伏安法49
3102交流阻抗譜51
3103電流中斷54
擴展閱讀56

第4章質子交換膜燃料電池57
41概述57
42高分子電解質：工作原理60
421全氟磺酸膜60
422改性的全氟磺酸膜63
423替代磺化和非磺化膜64
424酸堿絡合物和離子液體65
425高溫質子導體66
43電極與電極結構67
431催化劑層：鉑基催化劑67
432催化劑層：用於還原氧氣的
替代催化劑70
433催化劑層：陽極73
434催化劑耐久性73
435氣體擴散層74
44水管理76
441水合與水運動76
442氣流和水蒸發78
443空氣濕度80
444自加濕電池82
445外部加濕的原理84
446外部加濕的方法85
45冷卻和空氣供應86
451陰極送風冷卻86
452反應物和冷卻空氣分開87
46電堆構造方法89
461簡介89
462碳基雙極板90
463金屬雙極板91
464流場形式93
465其他拓撲形式94
466混合反應物燃料電池96
47電池工作壓力97
471技術問題97
472高壓工作的優勢98
473其他因素101
48燃料種類101
481重整烴類101
482酒精和其他液體燃料102
49實際應用的商業化燃料
電池系統103
491小型系統103
492中型燃料電池系統及固定電站應用104
493在交通系統中的應用106
410系統設計、電堆生命週期及相關問題108
4101膜降解108
4102催化劑降解108
4103系統控制109
411組合式可再生燃料電池109
擴展閱讀112

第5章鹼性燃料電池113
51工作原理113
52系統設計114
521迴圈電解質溶液114
522靜態電解質溶液117
523溶解燃料119
524陰離子交換膜燃料電池120
53電極122
531燒結鎳粉123
532雷尼金屬123
533軋製碳123
534催化劑125
54電堆設計126
541單極和雙極126
542其他電堆設計126
55工作壓力和溫度127
56機遇與挑戰130
擴展閱讀130

第6章直接液體燃料電池131
61直接甲醇燃料電池131
611工作原理133
612與質子交換膜電解質的
電極反應134
613與鹼性電解質的
電極反應135
614陽極催化劑135
615陰極催化劑136
616系統設計136
617燃料交換138
618減少燃料交換的標準方法138
619減少燃料交換的前瞻性方法139
6110甲醇生產140
6111甲醇安全與儲存140
62直接乙醇燃料電池141
621工作原理141
622乙醇氧化、催化劑及反應機理142
623低溫運行時的性能和挑戰144
624高溫直接乙醇燃料電池144
63直接丙醇燃料電池144
64直接乙二醇燃料電池145
641工作原理145
642乙二醇：陽極氧化146
643電池性能146
65甲酸燃料電池147
651甲酸：陽極氧化147
652電池性能 148
66硼氫化物燃料電池148
661陽極催化劑150
662挑戰150
67直接液體燃料電池的應用152
擴展閱讀154

第7章磷酸燃料電池155
71高溫燃料電池系統155
72系統設計156
721燃料加工156
722燃料利用157
723熱交換器160
73操作原則163
731電解液163
732電極和催化劑164
733電堆構造165
734電堆冷卻和歧管166
74性能167
741操作壓力168
742工作溫度168
743燃料和氧化劑成分的影響169
744一氧化碳和硫的影響169
75技術發展170
擴展閱讀172

第8章熔融碳酸鹽燃料電池173
81工作原理173
82電池組件176
821電解質177
822陽極178
823陰極179
824非多孔組件180
83電堆構造和密封180
831歧管181
832內部和外部重整182
84性能184
841壓力的影響184
842溫度的影響186
85實際系統186
851Fuel Cell Energy（美國）186
852Fuel Cell Energy Solutions(歐洲)189
853日本設施192
854韓國設施192
86未來研發193
87制氫和二氧化碳分離195
88直接碳燃料電池196
擴展閱讀198

第9章固體氧化物燃料電池199
91工作原理199
911高溫（HT）電池199
912低溫（IT）電池201
92組件202
921HT燃料電池的氧化鋯電解質202
922IT燃料電池的電解質203
923陽極206
924陰極209
925互連材料210
926密封材料210
93實際設計和堆放佈置211
931管狀設計211
932平面設計214
94性能215
95開發和商業系統216
951管狀SOFC217
952平面SOFC219
96聯合迴圈及其他系統220
擴展閱讀222

第10章燃料電池的燃料224
101綜述224
102化石燃料227
1021石油227
1022來自油砂、油葉岩和天然氣
水合物的石油229
1023煤與煤氣229
1024天然氣和煤層氣231
103生物燃料232
104燃料基本處理235
1041燃料電池的需求235
1042脫硫作用235
1043蒸汽重整237
1044碳的形成和預重整239
1045內部重整241
1046碳氫化合物直接氧化243
1047部分氧化和自熱重整244
1048太陽能熱重整245
1049吸附強化重整反應247
10410高溫分解制氫或碳氫化合物的熱裂解247
10411燃料進一步處理:去除一氧化碳249
105氣體分離膜的發展251
1051緻密膜251
1052緻密陶瓷膜252
1053多孔膜252
1054氧氣分離252
106實用的燃料處理過程：固定式佈置253
1061工業蒸汽重整253
1062天然氣蒸汽重整254
1063重整和部分氧化設計256
107實用的燃料處理過程:移動設備的應用260
108電解槽262
1081電解槽的使用262
1082應用 264
1083電解效率268
1084光電化學電池268
109熱化學制氫和化學迴圈270
1091熱化學迴圈270
1092化學迴圈272
1010生物制氫273
10101簡介273
10102光合作用與水分解273
10103生物轉化反應275
10104消化過程275
擴展閱讀276

第11章氫氣的存儲277
111從能源戰略出發進行思索277
112氫氣的安全279
113壓縮氫氣281
1131存儲容器281
1132儲能效率282
1133儲氫成本282
1134安全方面283
114液態氫284
115可逆的金屬氫化物286
116簡單的含氫化學物質290
1161有機物質290
1162鹼金屬氫化物291
1163氨、胺和硼烷291
117複雜含氫化學物質293
1171丙酸酯293
1172硼氫化物293
118納米結構儲氫材料295
119儲氫技術評估297
擴展閱讀299

第12章氫燃料電池系統及
未來300
121輔助系統零部件300
1211空壓機300
1212渦輪式空壓機308
1213引射器迴圈器310
1214風扇與鼓風機310
1215泵311
122功率電子器件312
1221直流變換器及電子開關器件312
1222降壓穩壓器314
1223升壓調壓器316
1224逆變器317
1225燃料電池電力介面及與電網連接問題322
1226功率因數及其修正323
123燃料電池+蓄電池混合系統325
124燃料電池系統分析328
1241油井到車輪的效率分析329
1242傳動系統分析331
1243生命週期評估332
1244處理模型333
1245發展趨勢336
125商業現實337
1251回到基本盤337
1252商業化進程338
126未來展望：水晶球中仍然有疑雲340
擴展閱讀342

附錄343
附錄1摩爾吉布斯自由能變化的計算343
A11氫燃料電池343
A12一氧化碳燃料電池345
附錄2可用燃料電池方程式346
A21簡介346
A22氧氣和空氣用量347
A23出風量348
A24氫氣用量348
A25產水率349
A26發熱量350
附錄3燃料電池排氣中空壓機所需功率和渦輪機可回收功率的計算350
A31空壓機所需的功率350
A32渦輪從燃料電池廢氣中回收功率351
專業術語353

自從第1版《燃料電池系統解析》出版以來，三個引人注目的推動因素支持了燃料電池技術的持續發展，即：

在能源不足的世界中需要維護能源安全。
減少車輛造成的城市空氣污染的願望。
通過減少人為排放的二氧化碳緩解氣候變化。

燃料電池新材料的突破、燃料電池組性能的提高和使用壽命的延長，為燃料電池從燃料電池叉車到移動網路基站電源等領域中的商業化應用奠定了基礎。一些國際汽車製造商已經開始應用電驅動系統，現在看到氫燃料電池可以補充過去幾年中出現的電池技術的不足。

經過數十年的實驗室發展，全球性的但仍然脆弱的燃料電池行業正在將首批產品推向市場。為了幫助那些不熟悉燃料電池電化學的人，本書第1章進行了擴展，對燃料電池及其相關術語進行了更詳細的說明。在以下各章中，對第2版內容進行了更新，刪除了與現代燃料電池系統不相關的材料，並介紹了最新的研究發現和技術進步。例如，現在有專門討論燃料電池特性的部分，用於低溫氫氣和液體燃料系統的新材料以及系統商業化的回顧；保留介紹了有關燃料處理和氫存儲的單獨章節，以強調氫如何在未來的運輸系統中以及在提供存儲可再生能源的方式中變得越來越重要。

每章的目的都是鼓勵讀者更深入地探討該主題。出於這個原因，當有必要證實或加強文中敘述內容時，在文中用註腳注明了引用來源。同時，為了激發更多的興趣，在章節結尾處給出了一些閱讀建議。

本書將繼續為大學和技術學校的師生提供燃料電池系統原理、設計和實施的介紹和概述，並為選擇進入燃料電池技術領域的研究人員充當入門讀本。的確，希望所有讀者——電氣、電力、化學和汽車工程等行業的從業人員、研究人員以及學生，都能從本書獲得啟發，為行業發展做出貢獻等。