燃料电池系统解析 原书第3版

【适读人群】

《燃料电池系统解析》适合燃料电池系统研究开发人员阅读参考，也适合车辆工程等专业的师生阅读使用。

【图书特色】

1. 本书是澳大利亚研究燃料电池将近40年的两位资深专家对燃料电池系统的全面解析，经过两次改版，2019年出版的新版技术图书。

2. 本书内容包括燃料电池基础知识，质子交换膜燃料电池、碱性燃料电池、直接液体燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池等常见燃料电池系统的组成、原理、优缺点、开发中的关键点、商业化应用现状及前景，以及燃料电池的燃料、氢的储存、燃料电池的完整系统及未来。

3. 本书将继续为大学和技术学校的师生提供燃料电池系统原理、设计和实施的介绍和概述，并为选择进入燃料电池技术领域的研究人员充当入门读本。

《燃料电池系统解析》是对燃料电池系统的全面解析，内容包括燃料电池基础知识，质子交换膜燃料电池、碱性燃料电池、直接液体燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池等常见燃料电池系统的组成、原理、优缺点、开发中的关键点、商业化应用现状及前景，以及燃料电池的燃料、氢的储存、燃料电池的完整系统及未来。附录中也对燃料电池常见计算给出方程式。

【作者简介】

安德鲁·L.迪克斯（Andrew L.Dicks），英国皇家化学会院士。他在英国接受教育，毕业于拉夫堡大学（Loughborough University），然后开始在英国天然气工业公司实验室工作。他的个研究项目专注于制气过程中的非均相催化剂，并于1981年获得博士学位。在20世纪80年代中期，BG任命安德鲁领导燃料电池的研究工作，该研究主要针对熔融碳酸盐和固体氧化物系统。该团队率先将过程建模应用于燃料电池系统，特别是那些具有内部重整功能的系统。这项工作在20世纪90年代得到了欧盟委员会的支持，涉及与欧洲和北美领先的燃料电池开发商的合作。1994年，安德鲁因其对高温系统的研究而被联合授予天然气工程师和经理学会协会的亨利·琼斯爵士勋章。他还对质子交换膜燃料电池感兴趣，并成为不列颠哥伦比亚省维多利亚大学的一个项目的主席，巴拉德动力系统公司是该项目的工业合作伙伴。 2001年，他获得了澳大利亚昆士兰大学的高级研究奖学金，这使他对催化和纳米材料在燃料电池系统中的应用的兴趣进一步得到追捧。自移居澳大利亚以来，他一直担任澳大利亚CSIRO的国家氢材料联盟理事和澳大利亚能源学会理事，继续推广氢和燃料电池技术。现在，世界各国政府和资助机构已就能源和清洁技术问题向他提供咨询。

戴维·A.J.兰德（David A.J.Rand）博士，在剑桥大学接受教育，毕业后，他进行了低温燃料电池的研究。 1969年，他加入了澳大利亚联邦科学与工业研究组织（Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation, CSIRO）在墨尔本的实验室。进一步研究燃料电池的机理，并进行了矿物选矿的电化学研究之后，他于20世纪70年代后期在该实验室成立了新型电池技术小组，并一直保持领导地位，直到2003年。美国先进铅酸技术协会Battery Consortium于1992年成立，他是*初的六位发起科学家之一，并于1994年担任经理。他是UltraBatteryTM公司的共同创建人，该公司在混合动力汽车和可再生能源存储应用领域提供服务。作为首席研究科学家，他一直担任CSIRO的氢气和可再生能源科学顾问，直到2008年退休。他目前仍然是该组织的荣誉研究员，并一直担任该组织的首席能源科学家。此后他一直担任世界太阳能挑战赛的首席能源科学家。他于1991年被英国皇家化学学会授予法拉第奖章，于1996年被保加利亚科学院授予联合国教科文组织加斯顿·普朗特奖章，并于2006年被澳大利亚皇家化学学院授予RH斯托克斯奖章。他于1998年当选为澳大利亚技术科学与工程学院院士，并于2013年成为澳大利亚勋章的成员，为能源存储领域的科学和技术发展提供服务。

【译者简介】

张新丰博士，本科及研究生均毕业于清华大学汽车工程系（现为车辆与运载学院），师从连小珉、、杨殿阁等教授，博士论文《汽车智能电器系统》获得清华大学优秀博士论文二等奖，并获得“清华大学优秀博士毕业生”称号。2009年加入同济大学汽车学院任教，担任同济大学新能源汽车工程中心燃料电池系统部部长，汽车学院院长助理、燃料电池发动机动态匹配与性能测试实验室主任等职务，兼任清华大学汽车安全与节能国家重点实验室客座研究员。2013 ~ 2014期间在加拿大维多利亚大学、不列颠哥伦比亚大学等地访问从事清洁能源研究；2018年加入东风汽车集团技术中心，副总工程师/部长级总监，并为东风汽车公司代金属电堆和系统开发、工业化做出了贡献，2020年入选湖北武汉“黄鹤英才”领军人物。

他在工程研究和教学生涯前期专注分布式控制系统、智能交通、车联网等领域，加入同济大学之后从事燃料电池汽车相关研发十余年，参与及承担燃料电池汽车相关课题多项。以作者发表SCI/EI期刊论文40余篇，出版编著作5本，200万字；并长期担任，，等期刊审稿人。他积极参与国家《节能与新能源汽车技术路线图》《燃料电池汽车设计》等编写工作，在中国节能与新能源汽车发展方面，为行业和国家提供服务。

张智明，男，1979年4月生，籍贯辽宁辽阳，博士，博士后，同济大学汽车学院讲师，硕士生导师。

2005年3月上海外国语大学出国留学人员培训部法语培训，同年9月国家公派赴法留学，从事燃料电池电堆基础理论和关键设计研究，获法国自然科学与工程博士学位，具备博士后研究经历。2011年回国，在同济大学汽车学院/新能源汽车工程中心从事车用燃料电池电堆、空压机以及加湿器等设计开发工作。独立主持同济大学青年优秀人才基金、留学归国人员科研启动基金、*博士点基金、同济大学基础研究能力提升计划、上海市自然科学基金和国家自然科学基金等。主要参与国家科技支撑项目、国家重大仪器设备项目以及国家重点研发计划，并与上汽集团、上汽大众、德国大众、博世等企业开展多项横向课题研究和协同创新项目。迄今为止在国内外学术期刊发表学术论文近30篇，授权发明专利10余项，出版《车用燃料电池系统建模、仿真与控制基础》和《电动汽车工程手册-燃料电池电动汽车设计》等学术专著。面向本科生讲授流体力学与液压传动、汽车理论和汽车设计等骨干课程。 面向研究生讲授模态理论与试验（全英文）和车辆系统动力学（全英文）等专业课程。

作译者简介
前言
第1章燃料电池引言……1
1.1研究历史……1
1.2燃料电池基础知识……6
1.3电极反应速率……8
1.4电堆设计……9
1.5供气和冷却……12
1.6主要技术……14
1.7可机械充电的电池和其他燃料电池……16
1.7.1金属空气电池……16
1.7.2氧化还原流通电池……17
1.7.3生物燃料电池……19
1.8电池的辅助系统设备……19
1.9燃料电池系统：关键参数……20
1.10优点和应用……21
扩展阅读……21
第2章效率和开路电压……22
2.1开路电压：氢燃料电池……22
2.2开路电压：其他燃料电池和电池……26
2.3效率及其限制……26
2.4效率和电压……29
2.5压力和气体浓度的影响……30
2.5.1能斯特方程……30
2.5.2氢分压……32
2.5.3燃料和氧化剂的利用……32
2.5.4系统压力……33
2.6小结……34
扩展阅读……34
第3章燃料电池的工作电压……35
3.1电压与电流的基本关系……35
3.2术语……36
3.3燃料电池的不可逆性……37
3.4活化损失……38
3.4.1塔菲尔方程……38
3.4.2塔菲尔方程常数……39
3.4.3降低极化电位……42
3.5内部电流和燃料交换损失……42
3.6欧姆损失……45
3.7质量传输损失……45
3.8合并不可逆项……47
3.9电气双层……47
3.10辨别不可逆项的方法……49
3.10.1循环伏安法……49
3.10.2交流阻抗谱……51
3.10.3电流中断……54
扩展阅读……56
第4章质子交换膜燃料电池……57
4.1概述……57
4.2高分子电解质：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酸碱络合物和离子液体……65
4.2.5高温质子导体……66
4.3电极与电极结构……67
4.3.1催化剂层：铂基催化剂……67
4.3.2催化剂层：用于还原氧气的替代催化剂……70
4.3.3催化剂层：阳极……73
4.3.4催化剂耐久性……73
4.3.5气体扩散层……74
4.4水管理……76
4.4.1水合与水运动……76
4.4.2气流和水蒸发……78
4.4.3空气湿度……80
4.4.4自加湿电池……82
4.4.5外部加湿的原理……84
4.4.6外部加湿的方法……85
4.5冷却和空气供应……86
4.5.1阴极送风冷却……86
4.5.2反应物和冷却空气分开……87
4.6电堆构造方法……89
4.6.1简介……89
4.6.2碳基双极板……90
4.6.3金属双极板……91
4.6.4流场形式……93
4.6.5其他拓扑形式……94
4.6.6混合反应物燃料电池……96
4.7电池工作压力……97
4.7.1技术问题……97
4.7.2高压工作的优势……98
4.7.3其他因素……101
4.8燃料种类……101
4.8.1重整烃类……101
4.8.2酒精和其他液体燃料……102
4.9实际应用的商业化燃料电池系统……103
4.9.1小型系统……103
4.9.2中型燃料电池系统及固定电站应用……104
4.9.3在交通系统中的应用……106
4.10系统设计、电堆生命周期及相关问题……108
4.10.1膜降解……108
4.10.2催化剂降解……108
4.10.3系统控制……109
4.11组合式可再生燃料电池……109
扩展阅读……112
第5章碱性燃料电池……113
5.1工作原理……113
5.2系统设计……114
5.2.1循环电解质溶液……114
5.2.2静态电解质溶液……117
5.2.3溶解燃料……119
5.2.4阴离子交换膜燃料电池……120
5.3电极……122
5.3.1烧结镍粉……123
5.3.2雷尼金属……123
5.3.3轧制碳……123
5.3.4催化剂……125
5.4电堆设计……126
5.4.1单极和双极……126
5.4.2其他电堆设计……126
5.5工作压力和温度……127
5.6机遇与挑战……130
扩展阅读……130
目录●●●●●●●●●●燃料电池系统解析原书第3版第6章直接液体燃料电池……131
6.1直接甲醇燃料电池……131
6.1.1工作原理……133
6.1.2与质子交换膜电解质的电极反应……134
6.1.3与碱性电解质的电极反应……135
6.1.4阳极催化剂……135
6.1.5阴极催化剂……136
6.1.6系统设计……136
6.1.7燃料交换……138
6.1.8减少燃料交换的标准方法……138
6.1.9减少燃料交换的前瞻性方法……139
6.1.10甲醇生产……140
6.1.11甲醇安全与储存……140
6.2直接乙醇燃料电池……141
6.2.1工作原理……141
6.2.2乙醇氧化、催化剂及反应机理……142
6.2.3低温运行时的性能和挑战……144
6.2.4高温直接乙醇燃料电池……144
6.3直接丙醇燃料电池……144
6.4直接乙二醇燃料电池……145
6.4.1工作原理……145
6.4.2乙二醇：阳极氧化……146
6.4.3电池性能……146
6.5甲酸燃料电池……147
6.5.1甲酸：阳极氧化……147
6.5.2电池性能 ……148
6.6硼氢化物燃料电池……148
6.6.1阳极催化剂……150
6.6.2挑战……150
6.7直接液体燃料电池的应用……152
扩展阅读……154
第7章磷酸燃料电池……155
7.1高温燃料电池系统……155
7.2系统设计……156
7.2.1燃料加工……156
7.2.2燃料利用……157
7.2.3热交换器……160
7.3操作原则……163
7.3.1电解液……163
7.3.2电极和催化剂……164
7.3.3电堆构造……165
7.3.4电堆冷却和歧管……166
7.4性能……167
7.4.1操作压力……168
7.4.2工作温度……168
7.4.3燃料和氧化剂成分的影响……169
7.4.4一氧化碳和硫的影响……169
7.5技术发展……170
扩展阅读……172
第8章熔融碳酸盐燃料电池……173
8.1工作原理……173
8.2电池组件……176
8.2.1电解质……177
8.2.2阳极……178
8.2.3阴极……179
8.2.4非多孔组件……180
8.3电堆构造和密封……180
8.3.1歧管……181
8.3.2内部和外部重整……182
8.4性能……184
8.4.1压力的影响……184
8.4.2温度的影响……186
8.5实际系统……186
8.5.1Fuel Cell Energy（美国）……186
8.5.2Fuel Cell Energy Solutions(欧洲)……189
8.5.3日本设施……192
8.5.4韩国设施……192
8.6未来研发……193
8.7制氢和二氧化碳分离……195
8.8直接碳燃料电池……196
扩展阅读……198
第9章固体氧化物燃料电池……199
9.1工作原理……199
9.1.1高温（HT）电池……199
9.1.2低温（IT）电池……201
9.2组件……202
9.2.1HT燃料电池的氧化锆电解质……202
9.2.2IT燃料电池的电解质……203
9.2.3阳极……206
9.2.4阴极……209
9.2.5互连材料……210
9.2.6密封材料……210
9.3实际设计和堆放布置……211
9.3.1管状设计……211
9.3.2平面设计……214
9.4性能……215
9.5开发和商业系统……216
9.5.1管状SOFC……217
9.5.2平面SOFC……219
9.6联合循环及其他系统……220
扩展阅读……222
第10章燃料电池的燃料……224
10.1综述……224
10.2化石燃料……227
10.2.1石油……227
10.2.2来自油砂、油页岩和天然气水合物的石油……229
10.2.3煤与煤气……229
10.2.4天然气和煤层气……231
10.3生物燃料……232
10.4燃料基本处理……235
10.4.1燃料电池的需求……235
10.4.2脱硫作用……235
10.4.3蒸汽重整……237
10.4.4碳的形成和预重整……239
10.4.5内部重整……241
10.4.6碳氢化合物直接氧化……243
10.4.7部分氧化和自热重整……244
10.4.8太阳能热重整……245
10.4.9吸附强化重整反应……247
10.4.10高温分解制氢或碳氢化合物的热裂解……247
10.4.11燃料进一步处理:去除一氧化碳……249
10.5气体分离膜的发展……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氧气分离……252
10.6实用的燃料处理过程：固定式布置……253
10.6.1工业蒸汽重整……253
10.6.2天然气蒸汽重整……254
10.6.3重整和部分氧化设计……256
10.7实用的燃料处理过程:移动设备的应用……260
10.8电解槽……262
10.8.1电解槽的使用……262
10.8.2应用 ……264
10.8.3电解效率……268
10.8.4光电化学电池……268
10.9热化学制氢和化学循环……270
10.9.1热化学循环……270
10.9.2化学循环……272
10.10生物制氢……273
10.10.1简介……273
10.10.2光合作用与水分解……273
10.10.3生物转化反应……275
10.10.4消化过程……275
扩展阅读……276
第11章氢气的存储……277
11.1从能源战略出发进行思索……277
11.2氢气的安全……279
11.3压缩氢气……281
11.3.1存储容器……281
11.3.2储能效率……282
11.3.3储氢成本……282
11.3.4安全方面……283
11.4液态氢……284
11.5可逆的金属氢化物……286
11.6简单的含氢化学物质……290
11.6.1有机物质……290
11.6.2碱金属氢化物……291
11.6.3氨、胺和硼烷……291
11.7复杂含氢化学物质……293
11.7.1丙酸酯……293
11.7.2硼氢化物……293
11.8纳米结构储氢材料……295
11.9储氢技术评估……297
扩展阅读……299
第12章氢燃料电池系统及未来……300
12.1辅助系统零部件……300
12.1.1空压机……300
12.1.2涡轮式空压机……308
12.1.3引射器循环器……310
12.1.4风扇与鼓风机……310
12.1.5泵……311
12.2功率电子器件……312
12.2.1直流变换器及电子开关器件……312
12.2.2降压稳压器……314
12.2.3升压调压器……316
12.2.4逆变器……317
12.2.5燃料电池电力接口及与电网连接问题……322
12.2.6功率因子及其修正……323
12.3燃料电池 蓄电池混合系统……325
12.4燃料电池系统分析……328
12.4.1油井到车轮的效率分析……329
12.4.2传动系统分析……331
12.4.3生命周期评估……332
12.4.4处理模型……333
12.4.5发展趋势……336
12.5商业现实……337
12.5.1回到基本盘……337
12.5.2商业化进程……338
12.6未来展望：水晶球中仍然有疑云……340
扩展阅读……342
附录……343
附录1摩尔吉布斯自由能变化的计算……343
A1.1氢燃料电池……343
A1.2一氧化碳燃料电池……345
附录2可用燃料电池方程式……346
A2.1简介……346
A2.2氧气和空气用量……347
A2.3出风量……348
A2.4氢气用量……348
A2.5产水率……349
A2.6发热量……350
附录3燃料电池排气中空压机所需功率和涡轮机可回收功率的计算……350
A3.1空压机所需的功率……350
A3.2涡轮从燃料电池废气中回收功率……351
专业术语……353

自从第1版《燃料电池系统解析》出版以来，三个引人注目的推动因素支持了燃料电池技术的持续发展，即：
   在能源不足的世界中需要维护能源安全。
   减少车辆造成的城市空气污染的愿望。
   通过减少人为排放的二氧化碳缓解气候变化。
燃料电池新材料的突破、燃料电池组性能的提高和使用寿命的延长，为燃料电池从燃料电池叉车到移动网络基站电源等领域中的商业化应用奠定了基础。一些国际汽车制造商已经开始应用电驱动系统，现在看到氢燃料电池可以补充过去几年中出现的电池技术的不足。
经过数十年的实验室发展，全球性的但仍然脆弱的燃料电池行业正在将首批产品推向市场。为了帮助那些不熟悉燃料电池电化学的人，本书第1章进行了扩展，对燃料电池及其相关术语进行了更详细的说明。在以下各章中，对第2版内容进行了更新，删除了与现代燃料电池系统不相关的材料，并介绍了的研究发现和技术进步。例如，现在有专门讨论燃料电池特性的部分，用于低温氢气和液体燃料系统的新材料以及系统商业化的回顾；保留介绍了有关燃料处理和氢存储的单独章节，以强调氢如何在未来的运输系统中以及在提供存储可再生能源的方式中变得越来越重要。
每章的目的都是鼓励读者更深入地探讨该主题。出于这个原因，当有必要证实或加强文中叙述内容时，在文中用脚注注明了引用来源。同时，为了激发更多的兴趣，在章节结尾处给出了一些阅读建议。
本书将继续为大学和技术学校的师生提供燃料电池系统原理、设计和实施的介绍和概述，并为选择进入燃料电池技术领域的研究人员充当入门读本。的确，希望所有读者——电气、电力、化学和汽车工程等行业的从业人员、研究人员以及学生，都能从本书获得启发，为行业发展做出贡献等。