可再生能源丛书--燃料电池

前言
氢能是人类未来的能源，燃料电池是利用氢能最好的方式。氢能和燃料电池是当前科技界最热门的话题之一。
燃料电池不是我们通常所说的“电池”，而是一种电化学发电装置。它将燃料和氧气的化学能通过电化学反应而不是燃烧转变成电能，因而具有更高的效率、更低的污染排放。燃料电池可以用于所有需要电力的场合。
自从1839年燃料电池问世以来，人们一直孜孜不倦地研究改进它，并在许多场合应用。燃料电池用于航天、军事领域，已经不是秘密。德国海军U31潜艇，由于采用燃料电池作为辅助动力，在军事潜艇发展史上留下浓重的一笔。
汽车是燃料电池最引人注目的应用领域。 燃料电池车的商业化示范运行已有不少年头。例如，1998～2000年已经在加拿大温哥华、美国芝加哥分别完成了燃料电池公共汽车（FCB）商业化示范运行，美国的3辆FCB总共运行118万公里，运送205万人次。美国通用汽车公司(GM）的燃料电池小轿车在2000年悉尼奥运会上为马拉松长跑选手开道；2002年5月戴姆勒克莱斯勒公司的甲醇重整制氢小轿车从美国西海岸旧金山出发，横穿美国大陆，到达首都华盛顿，行程5000多公里，历时16天，最高时速达160km，平均时速达60km；2002年，美国通用（GM）公司的线传动氢燃料电池汽车在展览会上亮相，该车以燃料电池为动力。所有动力部分都安装在约30mm厚的底盘中，没有传统的驾驶方向盘，全车很像一个大滑板。表明燃料电池已经可以“随心所欲”地进行布置。目前，大约近百辆燃料电池小轿车在全世界运行。更大规模的燃料电池公共汽车的示范运行正在欧洲展开，戴姆勒克莱斯勒的30辆FCB在斯图加特、伦敦、巴塞罗那等10个大城市和普通公共汽车一样载客运营，另有3辆FCB在澳大利亚的珀斯示范，戴姆勒克莱斯勒还有3辆FCB将于2005年9月在北京示范运营。中国自制的FCB已经在2004年5月和戴姆勒克莱斯勒的燃料电池车一起驶过天安门。当然，和现有的汽油车、柴油车的数量相比，燃料电池车的数目还是微乎其微，但是它们却代表了汽车的发展方向，是汽车工业新篇章的开始。
分布式燃料电池热电站是当前燃料电池应用的另一重要方面。目前，全世界共有200多台200kW的各种类型的燃料电池电站在运行，千瓦级家用燃料电池热电联供小电站也已经试制成功。
燃料电池在小型电器领域也有不俗的表现。燃料电池将取代现有的电池，成为笔记本电脑、掌上电脑等的电源，届时，人们可以尽情享受高科技的乐趣，而不会遇到电能不足的尴尬。
目前，燃料电池商业化的障碍在于其价格偏高。大规模生产可以降低成本，但是在现阶段，燃料电池技术的革新更重要。燃料电池还没有定型，人们改进燃料电池的热情一直未减。新型直接甲醇燃料电池、高温质子交换膜燃料电池、低温固体氧化物燃料电池和微型燃料电池正在发展中，新技术、新材料、新工艺不断涌现。
 有关燃料电池的中文书已经出版了几本，它们在普及燃料电池知识方面功不可没。编者希望能有专著对我国燃料电池领域的工作者有较大的启发，为此，邀请国内外知名中青年科学家参加编写本书。这些中青年科学家都是不同燃料电池领域里的佼佼者，他们工作在燃料电池研制开发第一线，从事了多年的实际工作，有丰富的经验和很深的造诣。他们的著作肯定会对我国燃料电池工作者有所帮助。
由于中青年科学家都非常繁忙，他们能在百忙之中抽空著书，十分难能可贵，本人对此表示衷心的感谢。同时也对其他答应参加但最终没有时间完稿的同仁表示谢意。燃料电池是世界上高速发展的科技领域，人才济济，由于本书的篇幅限制，不能请所有的中青年科学家参与，编者也特别借此机会表示真诚的歉意，并希望今后有机会合作。
由于时间仓促和编者水平有限，本书难免会有疏漏、不妥之处，恳请读者批评指正，以便再版时更正。

本书是《可再生能源丛书》中的一本。
本书密切结合当前燃料电池的最新研究成果，对燃料电池的关键材料开发、工程技术应用进行了较为详尽的分析与总结。全书共分为9章，第1章简单介绍了燃料电池的发展历史、电化学原理以及燃料电池的分类，作为深入了解燃料电池的基础。第2章～第8章对7种类型的燃料电池分别进行阐述，重点在第2章的质子交换膜燃料电池、第5章的直接醇类燃料电池、第7章固体氧化物燃料电池与第8章的金属/空气燃料电池。在第9章简单介绍了燃料电池的应用状况与发展前景，反映了近年来燃料电池的最新科技成果和未来发展动态。
本书以材料科学为基础，内容全面而新颖，能反映燃料电池技术各领域的最新研究进展，适于从事燃料电池研究与工程开发的科技工作者阅读，也可作为高年级本科生、研究生的教学参考书。

第1章燃料电池概述1
11燃料电池的发展历史1
111燃料电池早期的发展1
112几种燃料电池的发展历史3
113燃料电池的著名人物7
114燃料电池发展里程碑10
12电化学原理11
121基本原理11
122燃料电池的热力学12
123燃料电池的动力学15
124燃料电池效率19
13燃料电池的类型21
131碱性燃料电池21
132磷酸燃料电池22
133熔融碳酸盐燃料电池23
134质子交换膜燃料电池25
135固体氧化物燃料电池27
136几种特殊类型的燃料电池29
参考文献31
第2章质子交换膜燃料电池33
21质子交换膜燃料电池双极板33
211双极板的功能和特点33
212双极板流场形式33
213双极板的种类39
214总结与展望45
21节参考文献46
22质子交换膜47
221概述47
222全氟型磺酸膜及其质子交换膜燃料电池技术现状48
223全氟型磺酸膜的改性51
224非全氟型磺酸膜及其复合膜56
225酸碱高分子膜66
226高温质子交换膜燃料电池实验69
22节参考文献73
23质子交换膜燃料电池电催化剂82
231概述82
232电催化剂的制备方法83
233电催化剂的表征方法86
234质子交换膜燃料电池的阳极催化剂90
235质子交换膜燃料电池的阴极催化剂105
236展望113
23节参考文献114
24膜电极的制备技术117
241概述117
242气体扩散层材料119
243膜电极的制备129
244薄层膜电极的制备135
245结论138
24节参考文献138
25质子交换膜燃料电池的性能特性140
251理论电压140
252能量转换效率142
253电性能143
254温度特性144
255压力特性146
256CO的影响147
257寿命148
258电堆性能特性149
259性能挑战151
25节参考文献153
26质子交换膜燃料电池模型概述154
261电化学模型154
262质量传递模型157
263传热传质模型163
26节参考文献167
27质子交换膜燃料电池发电系统设计170
271燃料电池系统构成与技术要求170
272空气供给系统172
273氢源及供给系统173
274加湿系统178
275冷却系统180
276控制系统181
27节参考文献181
第3章碱性燃料电池 183
31概述183
311发展历史183
312工作原理184
32电池结构184
321电极184
322电解质186
323排水方法186
324CO2毒化问题187
33碱性燃料电池与质子交换膜燃料电池的比较187
34碱性燃料电池的应用189
参考文献192
第4章磷酸型燃料电池194
41发电原理194
42特点与工作条件194
421特点194
422工作条件195
43工作条件对电池性能的影响195
431工作压力的影响195
432工作温度的影响196
433燃料的影响196
434氧化剂组成和利用率的影响198
44磷酸型燃料电池系统基本组成198
441燃料电池本体198
442燃料转化装置199
443热量管理单元200
444系统控制单元202
45磷酸型燃料电池关键材料204
451电催化剂204
452三相电极作用原理与电极结构205
453电解质与隔膜208
454双极板209
46磷酸型燃料电池技术的现状与未来209
参考文献210
第5章直接醇类燃料电池212
51工作原理212
52基本结构213
53直接醇类燃料电池的研发概况213
531氢作燃料的不安全性213
532直接醇类燃料电池的发展概况214
533直接醇类燃料电池还存在的问题216
54阳极催化剂217
541甲醇氧化的机理研究217
542Pt基阳极催化剂218
543非金属催化剂222
544影响催化剂电催化性能的结构因素222
545催化剂的制备方法223
55阴极催化剂225
551Pt基复合催化剂225
552过渡金属大环化合物催化剂226
553Chevrel相催化剂227
554过渡金属硫化物催化剂227
555过渡金属羰基化合物催化剂228
556其他类型催化剂228
56质子交换膜228
561改性Nafion膜228
562聚四氟乙烯为基底的复合膜230
563无机化合物聚合物复合膜230
564接枝膜231
565非氟均聚膜232
566共混膜233
57甲醇替代燃料233
571乙醇233
572其他小分子醇235
573甲酸236
574其他甲醇替代燃料237
58直接醇类燃料电池结构238
59商业化前景241
参考文献241
第6章熔融碳酸盐燃料电池252
61熔融碳酸盐燃料电池的工作原理252
611熔融碳酸盐燃料电池的原理252
612熔融碳酸盐燃料电池的技术特点253
62熔融碳酸盐燃料电池的技术现状253
621国外熔融碳酸盐燃料电池的技术现状253
622国内熔融碳酸盐燃料电池的技术现状256
63熔融碳酸盐燃料电池的关键材料及制备257
631熔融碳酸盐燃料电池隔膜的材料257
632熔融碳酸盐燃料电池隔膜的制备258
633熔融碳酸盐燃料电池隔膜的性能258
634熔融碳酸盐燃料电池电极的材料和制备259
635熔融碳酸盐燃料电池双极板材料和制备260
64熔融碳酸盐燃料电池结构260
641熔融碳酸盐燃料电池单电池结构260
642熔融碳酸盐电池组结构261
643熔融碳酸盐发电系统结构261
65熔融碳酸盐燃料电池的制备和运行262
651熔融碳酸盐燃料电池测试系统262
652熔融碳酸盐燃料电池现场烧结262
653熔融碳酸盐燃料电池的性能263
654熔融碳酸盐燃料电池的运行263
66熔融碳酸盐燃料电池电站264
661天然气熔融碳酸盐燃料电池电站的构成264
662煤气化熔融碳酸盐燃料电池、燃气轮机、汽轮机联合
发电厂264
67影响熔融碳酸盐燃料电池性能和寿命的主要因素分析266
671温度的影响267
672压力的影响267
673反应气体组分和利用率的影响269
674电流密度的影响269
675电解质的成分和电解质板结构270
676气体中杂质的影响270
677熔融碳酸盐燃料电池设计时的几条原则271
68熔融碳酸盐燃料电池技术开发重点及主要课题272
参考文献273
第7章固体氧化物燃料电池275
71固体氧化物燃料电池关键材料275
711电解质276
712阴极287
713阳极293
714连接材料301
715致密电解质薄膜的制备技术301
71节参考文献303
72新型中、低温氧化物/陶瓷燃料电池的材料研发305
721质子在含氧酸盐中的传导305
722具有NaCl结构盐和其复合陶瓷中的质子传导307
723氟化物结构盐及其复合陶瓷308
724卤化盐中质子和氧离子电导产生的缺陷化学311
725氧化铈基的复合材料312
726钙钛矿氧化物盐（或氧化物）的复合电解质体系321
727纳米结构的薄膜复合材料324
728氧化铈（搀杂氧化铈）金属的复合材料325
729氧化铈中氢/质子相关的缺陷化学327
7210离子在氧化铈基复合材料中的传导和增强机制328
7211基于现有复合材料研究的启发和其他尝试330
7212电池的材料方案以及质子和氧离子共传导材料331
72节参考文献333
73低温固体氧化物燃料电池的发展方向335
731引言335
732电解质材料336
733阳极材料341
734阴极材料342
735封接材料343
736单电池与电堆345
73节参考文献347
第8章金属/空气燃料电池350
81概述350
811工作原理350
812金属/空气燃料电池的特点351
813研究历史352
82锌负极353
821锌负极的电化学反应353
822影响碱性锌电极性能的因素354
823锌/空气（燃料）电池中锌负极的特殊性356
824锌电极的形态357
83铝负极358
831铝负极的特征358
832铝合金负极359
833电解质及添加剂360
84碱性空气电极360
841碱性介质中的氧还原催化剂361
842空气电极的结构363
843空气电极的制备工艺363
85电解质364
851液态电解质365
852碱性聚合物电解质365
853离子液体电解质体系368
86金属/空气燃料电池的结构设计与应用369
861负极可更换的锌/空气燃料电池369
862可现场加注燃料的锌/空气燃料电池371
参考文献372
第9章燃料电池的应用与前景375
91燃料电池应用概述375
92便携式电源376
921便携式系统对于电源的要求377
922轻便电源378
923笔记本电脑电源382
924手机、数码摄像机、PDA电源384
925微型燃料电池前景预测388
93燃料电池电动车388
931电动车的发展历史388
932燃料电池公共汽车390
933燃料电池轿车397
934燃料电池轻便车辆405
935燃料电池特种车辆408
94燃料电池电站410
941燃料电池电站概况410
942碱性燃料电池电站413
943磷酸燃料电池电站413
944质子交换膜燃料电池电站414
945熔融碳酸盐燃料电池电站416
946固体氧化物燃料电池电站418
95燃料电池舰艇与飞机419
951燃料电池潜艇419
952水面船只421
953燃料电池飞机422
参考文献424