燃料电池原理

第1章绪论

1.1简介

1.2燃料电池发展动机

1.3燃料电池基础

1.3.1什么是燃料电池

1.3.2燃料电池如何工作

1.3.3燃料电池的优势是什么

1.3.4我们为什么需要燃料电池

1.3.5燃料电池有哪些应用

1.3.6目标是什么

1.3.7燃料电池分析和研发需要哪些背景

1.3.8典型的燃料电池分析、建模和仿真是什么样的

1.4燃料电池分类

1.4.1按所用电解质分类

1.4.2按电解质转移的离子类型分类

1.4.3按所用反应物质分类

1.4.4按运行温度分类

1.4.5燃料电池分类的其他方法

1.5空气成分

1.5.1千空气

1.5.2 温空气

1.6典型的烃燃料

1.7燃料电池历史简要

1.7.1第一次浪潮（1839年至19世纪90年代）

1.7.2第二次浪潮（20世纪50年代至60年代）

1.7.3第三次浪潮（20世纪80年代至今）

1.8典型燃料电池系统

1.9本书的目的和范围

1.10总结

1.11习题

参考文献

第2章燃料电池热力学

2.1概述

2.2热力学概念综述

2.2.1绝对焓和生成焓

2.2.2反应焓、燃烧焓和热值

2.2.3反应的吉布斯函数

2.3可逆电池电势

2.4操作条件对电池可逆电势的影响

2.4.1温度对电池可逆电势的影响

2.4.2压力对电池可逆电势的影响

2.4.3浓度对电池可逆电势的影响

2.5能量转换效率·

2.5.1能量转换效率定义

2.5.2燃料电池的可逆能量转换效率

2.5.3卡诺效率：热机的可逆能量转换效率

2.5.4卡诺效率和燃料电池效率的等价性

2.5.5燃料电池效率超过100%的可能性是真实的还是炒作

2.5.6燃料电池实际效率和能量损失机制

燃料电池运行中的效率损失：化学计量比、利用率和2.5.7

能斯特损失

2.6总结·

……

9.2基本原理和工作过程

9.3电池成分和配置

0.3.1电池单体

9.3.2电堆

9.3.3系统

9.4材料与制造

9.4.1阴极

9.4.2阳枝

9.4.3电解质

9.4.4关联

9.4.5制备技术

9.5固体氧化物燃料电池的性能

9.5.1温度的影响

9.5.2压力的影响

9.5.3反应气体组成和利用的影响

9.5.4杂质的影响·

9.5.5电流密度的影响

9.6未来研发

9.7总结

9.8习题参考文献

第10章直接甲醇燃料电池10.1绪言

10.2甲醇作为燃料

10.3间接与直接甲醇燃料电池

10.4直接甲醇燃料电池的类型

10.4.1碱性燃料电池中的直接甲醇

10.4.2熔融碳酸盐燃料电池中的直接甲醇

10.4.3水性碳酸氢盐燃料电池中的直接甲醇

10.4.4硫酸电解质燃料电池中的直接甲醇

10.4.5磷酸燃料电池中的直接甲醇

10.4.6质子交换膜燃料电池中的直接甲醇

10.5质子交换膜直接甲醇燃料电池

10.6蒸气进料与液体进料的质子交换膜直接甲醇燃料电池

10.7液体进料质子交换膜直接甲醇燃料电池

10.7.1阳极反应

10.7.2甲醇渗透

10.7.3阴极反应

10.8未来研发

10,9总结

10.10习题

参考文献

附录

附录一饱和水的性质

附录二特定物质在25℃和1 atm时的生成焓、吉布斯函数和

绝对熵

附录三特定物质在300K下理想气体恒压比热、分子量和

气体常数

附录四不同温度下理想气体恒压比热

附录五理想气体恒压比热随温度变化的三次多项式拟合

附录六饱和液态水的恒压比热

附录七CO、CO2、H2、H2O（g）、N2、O2的理想气体性质

附录八气体的热物理性质

附录九饱和水的热物理性质

附录十1 atm下的二元扩散系数

索引

第1章

绪论

1.1简介

  燃料电池是一种环保的、能够实现能源转换的发电设备，是最有希望成为零排放的能源候选之一。因此，燃料电池也往往被认为是未来先进能源技术之一。事实上，燃料电池是人类已知的、最古老的能量转换设备之一，尽管其开发技术和实际应用远远落后汽轮机、内燃机等热机。自工业革命以来，燃烧化石燃料的热机越来越重要，目前已成为现代社会中不可或缺的组成部分。

  由于SO，、NO，、CO和颗粒等污染物的排放，主要依赖化石燃料燃烧获得能源已导致严重的局部空气污染，这严重威胁了地球上数以百万计人类的健康。化石燃料燃烧大幅增加大气中CO，的浓度，从而加剧全球变暖，威胁人类的文明和生存。污染物排放量大幅减少的需求，推动了对更清洁、更高效能源技术，以及替代能源和载体（主要和次要燃料）的研究与开发。人类除了对健康和环境的关注外，地球上有限化石燃料储量的持续枯竭要求使用

新的能源转换和发电技术，该技术比传统热机具有更高的能源效率，且污染物排放量很少甚至没有，兼容使用可再生能源，促进可持续发展。燃料电池已被认为是满足能源安全、经济增长和环境可持续发展最有前途和潜力的能源技术之一。

  因此，本章首先介绍学习、研究、开发和部署燃料电池的起因，通过提出一系列问题来描述燃料电池基本概念和思想。这些问题包括：什么是燃料电池，它是如何工作的？为什么将燃料电池技术视为未来先进的能源技术？通过解决以上问题，了解构成燃料电池运行的基础物理概念和电化学机制，燃料电池正在解决的工业和环境问题，以及未来可持续发展、环境友好型能源系统的重要性。再具体介绍具有各种组件、用于发电的典型燃料电池系统。然后介绍燃料电池的分类和概述，简要介绍燃料电池历史发展，并阐述燃料电池作为末来新兴能源技术的原因。最后，本章给出本书的范围、大纲，以

及写作目标。

1.2燃料电池发展动机

  如前所述，使用基于化石燃料燃烧的热机进行常规发电会排放大量污染物，这些污染物的排放也极大地加剧了人类和其他动植物赖以生存环境的退化。事实上，人们已经提出并实现了多种替代发电的方法，例如利用水力风能、潮汐能、太阳能、生物能、地热能等来发电。使用这些可再生能源可以相对容易地发电并用于公用事业，但是可再生能源受到季节性和不规则波动的影响，在获取能源方面受到限制。此外，这些可再生能源和相关的发电技术直接用于运输应用上仍然是不可能的，目前运输应用造成了大量污染物的排放。

燃料电池作为支撑国家碳达峰、碳中和愿景的关键支撑技术，是能源动力学科当前最为关注的教学及研究热点之一。本书共10章内容，系统介绍了燃料电池的基本知识、典型分类、技术特点以及未来趋势。本书第1章介绍燃料电池的基础知识，包括燃料电池的工作原理，燃料电池的分类，从燃料电池组件到燃料电池系统，以及燃料电池的历史发展；第2章提供了燃料电池热力学方面的内容，涵盖了燃料电池的基本热力学性能，以及诸如电池温度、压力、反应物浓度等操作条件的影响；第3章简述了燃料电池发生的电化学反应，涵盖了动力学和相关的燃料电池能量损失机制、电极表面附近的双电层、燃料电池电极中的反应机理以及电催化作用;第4章讨论燃料电池质量、动量和能量的传输现象；第5章至第10章重点介绍了六种主要类型的燃料电池，包括碱性燃料电池、磷酸燃料电池、质子交换膜燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池和直接甲醇燃料电池。