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燃料電池與燃料電池汽車(第二版) 版權信息
- ISBN：9787030695581
- 條形碼：9787030695581 ; 978-7-03-069558-1
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>>
燃料電池與燃料電池汽車(第二版) 內容簡介
本書結合燃料電池的近期新發展概況，系統地介紹燃料電池種類和原理，燃料電池用氫能的制取、純化和儲存，以及燃料電池汽車等方面的知識，使讀者對燃料電池及其在汽車方面的應用有全面的認識。全書分為5章，主要內容包括燃料電池概述、燃料電池的電化學基礎、燃料電池類型（～3章），燃料電池用氫燃料的制備、純化與儲存（第4章），以及燃料電池汽車（第5章）。 本書可作為應用型本科院校的新能源科學與工程專業的教材，也可供從事燃料電池和新能源汽車應用研究的科技工程人員閱讀。
燃料電池與燃料電池汽車(第二版) 目錄
目錄
前言
第1章 燃料電池概述 1
1.1 燃料電池簡介 1
1.1.1 燃料電池的工作原理 1
1.1.2 燃料電池的分類 2
1.1.3 燃料電池的發展歷史 3
1.1.4 燃料電池的特性 4
1.2 燃料電池的應用 6
1.3 車載儲氫技術的現狀 7
1.4 燃料電池汽車的未來 9
思考題 14
參考文獻 14
第2章 燃料電池的電化學基礎 15
2.1 燃料電池熱力學 15
2.1.1 Gibbs自由能與電池電動勢的關系 15
2.1.2 能斯特方程 17
2.1.3 燃料電池效率 18
2.2 電極過程動力學 20
2.2.1 法拉第定律與電化學過程速率 21
2.2.2 電化學反應速率 21
2.3 極化 22
2.3.1 電化學極化 22
2.3.2 濃差極化 25
2.3.3 歐姆極化 26
2.4 極化測試 27
思考題 30
參考文獻 30
第3章 燃料電池類型 31
3.1 質子交換膜燃料電池 31
3.1.1 PEMFC結構與工作原理 31
3.1.2 PEMFC發展簡史 32
3.1.3 PEMFC主要部件 33
3.1.4 PEMFC單電池與電池組 54
3.1.5 PEMFC電池組失效分析 59
3.2 直接甲醇燃料電池 60
3.2.1 DMFC結構與工作原理 60
3.2.2 DMFC關鍵材料 62
3.2.3 DMFC與PEMFC的差別 65
3.2.4 DMFC存在的問題 66
3.2.5 DMFC的應用 66
3.3 固體氧化物燃料電池 67
3.3.1 SOFC結構與工作原理 67
3.3.2 SOFC發展概況 68
3.3.3 SOFC關鍵材料 70
3.3.4 SOFC發展趨勢 79
3.3.5 SOFC面臨的問題 80
3.3.6 SOFC電池組 89
3.3.7 高功率密度SOFC91
3.4 堿性燃料電池 94
3.4.1 AFC結構與工作原理 94
3.4.2 AFC發展概況 96
3.4.3 AFC關鍵材料 97
3.4.4 排水 100
3.4.5 AFC的優缺點 101
3.4.6 單電池與電池組 102
3.5 磷酸燃料電池 104
3.5.1 PAFC結構與工作原理 104
3.5.2 PAFC發展狀況 104
3.5.3 PAFC結構材料 106
3.5.4 PAFC電池組 108
3.5.5 影響PAFC的因素 109
3.5.6 影響壽命的因素及改進辦法 111
3.5.7 PAFC的優缺點 112
3.6 熔融碳酸鹽燃料電池 112
3.6.1 MCFC結構與工作原理 112
3.6.2 MCFC發展概況 114
3.6.3 MCFC關鍵材料 115
3.6.4 MCFC單電池與電池組 119
3.6.5 操作條件對MCFC性能的影響 120
3.6.6 MCFC的優缺點 122
思考題 123
參考文獻 123
第4章 燃料電池用氫燃料的制備、純化與儲存 131
4.1 氫氣的制備 131
4.1.1 化石能源制氫 131
4.1.2 水電解制氫 139
4.1.3 生物質制氫 141
4.1.4 氮氫化合物制氫 145
4.1.5 硼氫化鈉制氫 149
4.2 氫氣的純化 151
4.2.1 變壓吸附法 152
4.2.2 膜分離技術 153
4.2.3 低溫分離法 156
4.2.4 金屬氫化物法 156
4.3 氫氣的儲存 157
4.3.1 高壓氣態存儲 157
4.3.2 低溫液態存儲 159
4.3.3 金屬氫化物儲氫 160
4.3.4 新型碳材料儲氫 163
4.3.5 有機液體氫化物儲氫 165
4.3.6 其他儲氫技術 167
思考題 173
參考文獻 173
第5章 燃料電池汽車 177
5.1 燃料電池汽車的工作原理 177
5.2 燃料電池汽車的重要部件 178
5.2.1 燃料電池發動機 179
5.2.2 動力系統 179
5.2.3 電動機 182
5.2.4 電子控制系統 185
5.2.5 燃料系統 185
5.2.6 安全系統 188
5.3 燃料電池汽車的關鍵技術 190
5.3.1 電池技術 190
5.3.2 電機技術 191
5.3.3 控制器技術 193
5.4 質子交換膜燃料電池電動汽車 194
5.4.1 發展概況 194
5.4.2 研發方向和需要解決的問題 200
5.5 固體氧化物燃料電池汽車 202
5.5.1 發展概況 202
5.5.2 SOFC電池應用于汽車所面臨的挑戰 204
5.6 燃料電池汽車的基礎設施建設 205
5.6.1 氫氣加注站 206
5.6.2 全球氫氣加注站的發展概況 209
5.7 燃料電池汽車的測試評價體系 213
5.7.1 燃料電池汽車相關標準 213
5.7.2 燃料電池汽車測試評價 215
思考題 217
參考文獻 218
附錄 燃料電池與氫能相關國家標準 220
附錄1 燃料電池相關國家標準 220
附錄2 燃料電池汽車相關國家標準 225
附錄3 氫氣制取相關國家標準 226
附錄4 氫能儲運基礎設施相關國家標準 228
附錄5 加氫基礎設施相關國家標準 229
附錄6 氫能其他相關國家標準 230
前言
第1章 燃料電池概述 1
1.1 燃料電池簡介 1
1.1.1 燃料電池的工作原理 1
1.1.2 燃料電池的分類 2
1.1.3 燃料電池的發展歷史 3
1.1.4 燃料電池的特性 4
1.2 燃料電池的應用 6
1.3 車載儲氫技術的現狀 7
1.4 燃料電池汽車的未來 9
思考題 14
參考文獻 14
第2章 燃料電池的電化學基礎 15
2.1 燃料電池熱力學 15
2.1.1 Gibbs自由能與電池電動勢的關系 15
2.1.2 能斯特方程 17
2.1.3 燃料電池效率 18
2.2 電極過程動力學 20
2.2.1 法拉第定律與電化學過程速率 21
2.2.2 電化學反應速率 21
2.3 極化 22
2.3.1 電化學極化 22
2.3.2 濃差極化 25
2.3.3 歐姆極化 26
2.4 極化測試 27
思考題 30
參考文獻 30
第3章 燃料電池類型 31
3.1 質子交換膜燃料電池 31
3.1.1 PEMFC結構與工作原理 31
3.1.2 PEMFC發展簡史 32
3.1.3 PEMFC主要部件 33
3.1.4 PEMFC單電池與電池組 54
3.1.5 PEMFC電池組失效分析 59
3.2 直接甲醇燃料電池 60
3.2.1 DMFC結構與工作原理 60
3.2.2 DMFC關鍵材料 62
3.2.3 DMFC與PEMFC的差別 65
3.2.4 DMFC存在的問題 66
3.2.5 DMFC的應用 66
3.3 固體氧化物燃料電池 67
3.3.1 SOFC結構與工作原理 67
3.3.2 SOFC發展概況 68
3.3.3 SOFC關鍵材料 70
3.3.4 SOFC發展趨勢 79
3.3.5 SOFC面臨的問題 80
3.3.6 SOFC電池組 89
3.3.7 高功率密度SOFC91
3.4 堿性燃料電池 94
3.4.1 AFC結構與工作原理 94
3.4.2 AFC發展概況 96
3.4.3 AFC關鍵材料 97
3.4.4 排水 100
3.4.5 AFC的優缺點 101
3.4.6 單電池與電池組 102
3.5 磷酸燃料電池 104
3.5.1 PAFC結構與工作原理 104
3.5.2 PAFC發展狀況 104
3.5.3 PAFC結構材料 106
3.5.4 PAFC電池組 108
3.5.5 影響PAFC的因素 109
3.5.6 影響壽命的因素及改進辦法 111
3.5.7 PAFC的優缺點 112
3.6 熔融碳酸鹽燃料電池 112
3.6.1 MCFC結構與工作原理 112
3.6.2 MCFC發展概況 114
3.6.3 MCFC關鍵材料 115
3.6.4 MCFC單電池與電池組 119
3.6.5 操作條件對MCFC性能的影響 120
3.6.6 MCFC的優缺點 122
思考題 123
參考文獻 123
第4章 燃料電池用氫燃料的制備、純化與儲存 131
4.1 氫氣的制備 131
4.1.1 化石能源制氫 131
4.1.2 水電解制氫 139
4.1.3 生物質制氫 141
4.1.4 氮氫化合物制氫 145
4.1.5 硼氫化鈉制氫 149
4.2 氫氣的純化 151
4.2.1 變壓吸附法 152
4.2.2 膜分離技術 153
4.2.3 低溫分離法 156
4.2.4 金屬氫化物法 156
4.3 氫氣的儲存 157
4.3.1 高壓氣態存儲 157
4.3.2 低溫液態存儲 159
4.3.3 金屬氫化物儲氫 160
4.3.4 新型碳材料儲氫 163
4.3.5 有機液體氫化物儲氫 165
4.3.6 其他儲氫技術 167
思考題 173
參考文獻 173
第5章 燃料電池汽車 177
5.1 燃料電池汽車的工作原理 177
5.2 燃料電池汽車的重要部件 178
5.2.1 燃料電池發動機 179
5.2.2 動力系統 179
5.2.3 電動機 182
5.2.4 電子控制系統 185
5.2.5 燃料系統 185
5.2.6 安全系統 188
5.3 燃料電池汽車的關鍵技術 190
5.3.1 電池技術 190
5.3.2 電機技術 191
5.3.3 控制器技術 193
5.4 質子交換膜燃料電池電動汽車 194
5.4.1 發展概況 194
5.4.2 研發方向和需要解決的問題 200
5.5 固體氧化物燃料電池汽車 202
5.5.1 發展概況 202
5.5.2 SOFC電池應用于汽車所面臨的挑戰 204
5.6 燃料電池汽車的基礎設施建設 205
5.6.1 氫氣加注站 206
5.6.2 全球氫氣加注站的發展概況 209
5.7 燃料電池汽車的測試評價體系 213
5.7.1 燃料電池汽車相關標準 213
5.7.2 燃料電池汽車測試評價 215
思考題 217
參考文獻 218
附錄 燃料電池與氫能相關國家標準 220
附錄1 燃料電池相關國家標準 220
附錄2 燃料電池汽車相關國家標準 225
附錄3 氫氣制取相關國家標準 226
附錄4 氫能儲運基礎設施相關國家標準 228
附錄5 加氫基礎設施相關國家標準 229
附錄6 氫能其他相關國家標準 230
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燃料電池與燃料電池汽車(第二版) 節選
第1章 燃料電池概述 能源是人類賴以生存的物質基礎，是國民經濟發展的動力。世界化石燃料的儲量與快速消耗的矛盾迫使各國政府千方百計地尋求新能源和提高現有資源的利用率，以確保社會的繁榮昌盛與國家的長治久安；同時，隨著環境污染問題越來越受到重視，環境保護已成為人類社會可持續發展的核心。而20世紀所建立起來的龐大的能源系統已無法適應未來社會對高效、清潔、經濟、安全的能源體系的要求。能源發展正面臨著巨大的挑戰。 從目前世界能源發展的趨勢來看，在未來50年，世界能源結構仍然以化石燃料為主，以可再生能源和新能源為補充。一般而言，化石燃料都通過燃燒將其化學能轉化為熱能，或直接利用，或繼續轉化為電能，也有通過合成如汽油、乙醇等二次能源被利用。化石燃料在上述的利用過程中，除了由于轉化效率低，造成嚴重的能源浪費，還會產生大量的粉塵、碳氧化物、氮氧化物、硫氧化物等有害物質和噪聲，嚴重污染人類的生存環境。 為了實現可持續發展，必須保護人類賴以生存的自然環境和自然資源，這是人類進入21世紀面臨的嚴峻挑戰。對此，科學家提出了資源與能源*充分利用和環境*小負擔的概念。其中，開發潔凈的新能源及新能源材料是這一概念的重要組成部分。作為21世紀世界范圍內大力發展和推廣的燃料電池技術，通過電化學反應過程使燃料中的化學能直接轉化為電能，可以極大地降低污染，同時由于其能量的轉化不受卡諾循環的限制，能量的利用率也得以極大地提高，高達40%～60%，如果通過熱電共生同時利用其熱能，則能量的轉化率可以達到80%以上。因此，清潔、安靜、高效的燃料電池不僅是解決化石類燃料污染環境*有效的途徑之一[1]，也可以緩解人類越來越緊張的能源危機，是我國《新能源和可再生能源發展綱要》中優先支持的項目。 1.1 燃料電池簡介 1.1.1 燃料電池的工作原理 燃料電池(Fuel Cell，FC)是一種將燃料和氧化劑的化學能直接轉換成電能的電化學反應裝置。單節燃料電池由陽極、陰極和電解質隔膜構成。燃料在陽極氧化，氧化劑在陰極還原，從而完成整個電化學反應。電解質隔膜的功能為分隔燃料和氧化劑并起到離子傳導的作用。在陽極一側持續通以燃料氣，如氫氣、甲烷、煤氣等，在陰極一側通入氧氣或空氣，通過電解質離子傳導，在陰極和陽極發生電子轉移，即在兩極之間產生電勢差，從而形成一個電池。連接兩極，在外電路中形成電流，便可帶動負載工作。圖1.1為不同類型燃料電池的工作原理[2]。 圖1.1 不同類型燃料電池的工作原理 雖然燃料電池的工作原理和常規的化學電源一樣都是利用電化學反應產生電能，但是其工作方式又與常規的化學電源不同，常規化學電源利用電池內的反應物之間的化學反應產生電能，其電池容量取決于電池內所含反應物的物質的量，而燃料電池利用外部提供的燃料和氧化劑在燃料電池的內部發生電化學反應而產生電能，從理論上講，只要不斷給燃料電池提供燃料即可實現連續發電，電池容量不受限制。 1.1.2 燃料電池的分類 迄今已研發出多種類型的燃料電池，燃料電池可以從其工作原理、使用燃料、工作溫度以及電解質種類等進行分類。根據燃料電池的工作原理不同可分為酸性燃料電池和堿性燃料電池；根據使用燃料的不同可以分為氫燃料電池和碳氫燃料電池；根據燃料電池的工作溫度不同可以分為低溫燃料電池(工作溫度低于100℃)、中溫燃料電池(工作溫度為100～300℃)和高溫燃料電池(工作溫度高于600℃)；而根據電解質種類的不同，燃料電池可以分為堿性燃料電池(Alkaline Fuel Cell，AFC)(一般以氫氧化鉀為電解質)，磷酸型燃料電池(Phosphoric Acid Fuel Cell，PAFC)，熔融碳酸鹽燃料電池(Molten Carbonate Fuel Cell，MCFC)，固體氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell，SOFC)，質子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)，以及直接以甲醇為燃料的質子交換膜燃料電池，通常稱為直接甲醇燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell，DMFC)[3，4]，這也是目前*常用的燃料電池分類方法。表1.1是各種燃料電池的特征狀態。 表1.1 各種燃料電池的特征狀態 優點啟動快，材料成本低，常溫常用下工作電解質價廉，對CO2不敏感，技術成熟，可靠性高，長期運行性能好功率密度*高，室溫工作，啟動快，低操作溫度使其更適應便攜式應用燃料適應性廣，可使用非貴金屬催化劑，高品位余熱，可熱電聯供較高的功率密度，燃料適應性廣，采用非貴金屬作為催化劑，高品位余熱，可熱電聯供 缺點必須使用純的H2和O2，需周期性更換KOH電解質，電解質容易CO2中毒效率較低，啟動時間長，對CO和S中毒敏感，電解質有腐蝕性，運行時須及時去除燃料與氧化劑中的CO2材料昂貴，成本高，電堆經常需要水管理，CO和S容許度非常差CO2必須再循環，熔融碳酸鹽電解質具有腐蝕性，電池材料性能的退化導致電池的壽命受到影響工作溫度高導致一系列材料和密封問題，電池部件制造成本高 1.1.3 燃料電池的發展歷史 燃料電池的歷史可以追溯到19世紀，1839年William Robert Grove使用兩個鉑電極電解硫酸時發現，析出的氫氣和氧氣具有電化學活性，并在兩極間產生約1V的電勢差，在此基礎上成功研制了**臺氫氧燃料電池。到20世紀50年代以前，燃料電池一直處于理論與應用基礎的研究階段。燃料電池理論和類型也不斷豐富，1952年Bacon型堿性氫氧燃料電池出現。 20世紀60年代由于載人航天對于大功率、高比功率與高比能量電池的迫切需求，燃料電池才引起一些國家與軍工部門的高度重視。正是在這種背景下，Pratt & Whitney公司研制成功Apollo登月飛船的主電源——Bacon型中溫氫氧燃料電池。1965年，雙子星座宇宙飛船也采用了美國通用的PEMFC為主電源。同時，兆瓦級燃料電池研制成功。 20世紀70～80年代，能源危機和航天軍備競賽極大地推動了燃料電池的發展。以美國為首的發達國家開始大力支持民用燃料電池的開發，至今還有數百臺PC25(200kW)磷酸燃料電池電站在世界各地運行。實踐證明，它們的運行高度可靠，能作為各種應急電源與不間斷電源廣泛使用。在此期間熔融碳酸鹽燃料電池也有了很大的發展，目前已有2000kW實驗電站在運行。固體氧化物燃料電池采用固體氧化物膜電解質，在800～1000℃工作，直接采用天然氣、煤氣和碳氫化合物作為燃料，余熱與燃氣、蒸汽輪機構成聯合循環發電，已在進行數十和數百千瓦的固體氧化物燃料電池電站試驗。 進入20世紀90年代以來，人類日益關注環境保護。以質子交換膜燃料電池為動力的電動汽車，直接甲醇燃料電池的便攜式移動電源，高溫燃料電池電站，用于潛艇和航天器的燃料電池等蓬勃發展。 我國自20世紀60年代起，即開始從事燃料電池的研究。1969年起，中國科學院大連化學物理研究所承擔了航天氫氧燃料電池的研制任務，此后，中國科學院長春應用化學研究所和中國科學院上海硅酸鹽研究所等陸續承擔國防軍工上的燃料電池研究任務。在國家“863”電動汽車重大專項和“973”氫能相關項目的支持下，國內燃料電池上中下游研究均取得很大進展。現今國內從事燃料電池研究的研究所、大學和公司超過100家。軍工和汽車用燃料電池的研究均取得很大進展，部分產品已經實用化。 1.1.4 燃料電池的特性 燃料電池的工作原理使其具備了其他發電裝置和供電設備不可比擬的特性和優點。 (1)高轉化效率。由于燃料電池的原理系經由化學能直接轉換為電能，它不通過熱機過程，不受卡諾循環的限制，現今利用碳氫燃料的發電系統電能的轉換效率可達40%～50%；直接使用氫氣的系統效率更可超過50%；目前各類燃料電池的能量轉化效率均為40%～60%，如圖1.2所示[5]；對于高溫燃料電池，若實現熱電聯供，則燃料能量的利用率高達80%以上[6]。 圖1.2不同發電系統的效率比較圖 (2)環境友好。燃料電池以純氫為燃料時，燃料電池的化學反應物僅為水，可以從根本上消除氮氧化物、硫氧化物及碳氧化物等導致環境污染和溫室效應的有害氣體的排放；當以礦物燃料制取的富氫氣體為燃料時，由于燃料電池的高轉化效率，其二氧化碳的排放量比熱機過程減少40%。此外，由于燃料電池運動部件很少，工作時安靜，噪聲很小。 (3)燃料多樣性。燃料電池雖然仍以氫氣為主要燃料，但配備燃料重整裝置的電池系統可以從碳氫化合物或醇類燃料中制備出氫氣來利用。例如，垃圾掩埋場、廢水處理廠中厭氧微生物分解產生的沼氣也是燃料的一大來源。而一些燃料電池如MCFC和SOFC可以直接利用天然氣和低分子的碳氫氣體作為燃料。此外，利用自然界的太陽能及風力等可再生能源提供的電力，可用來將水電解產生氫氣，再供給燃料電池，如此亦可將水作為未經轉化的燃料，實現完全零排放的能源系統，圖1.3為日本本田公司于2012年3月在埼玉縣建立的首座太陽能加氫站。 (4)可靠性高。與燃燒渦輪及循環系統和內燃機相比，燃料電池的轉動部件很少，因而系統更加安全可靠。目前在世界各地連續運行的AFC和PAFC等均證明燃料電池的運行高度可靠，可以作為應急電源或不間斷電源使用。 (5)組裝簡單靈活。燃料電池的制造一般采用模塊結構，因此它可以像常規電池一樣通過多個模塊串聯或并聯的組合方式向外供電，并根據用途和容量進行調節。 雖然燃料電池存在諸多的優點，但就目前的實際來看，燃料電池仍然存在許多不足之處，限制了燃料電池的大規模應用和商業化。燃料電池制造成本高是制約其應用的瓶頸，此外燃料的可用性和存儲也是其面臨的重要難題，燃料電池以氫氣為燃料時性能*佳，但氫氣不是一次能源，同時體積能量密度較低，難以存儲。另外，燃料電池的啟/停循環中的耐久性、高溫時壽命和穩定性不理想，對環境毒性的敏感性等技術問題亟待解決，燃料電池技術的普及程度不高以及沒有完善的燃料供應體系等都是現階段燃料電池發展所面臨的難題。 圖1.3 本田公司在埼玉縣建立的太陽能加氫站 1.2 燃料電池的應用 燃料電池既適宜用于集中發電，建造大、中型電站和區域性分散電站，也可作為各種規格的分散電源、電動車、不依賴空氣推進的潛艇動力源和各種可移動電源，同時也可作為手機、筆記本式計算機等供電微型便攜式電源。圖1.4為燃料電池在各方面應用的實例圖。 在燃料電池發展的進程中，燃料電池經歷了堿性、磷酸、熔融碳酸鹽和固體氧化物等類型的發展階段，燃料電池的研究和應用正以極快的速度在發展。在所有燃料電池中，堿性燃料電池(AFC)發展速度*快，早在20世紀60年代已成功應用于Apollo宇宙飛船，包括為航天飛機提供動力和飲用水，但目前看來AFC的應用基本局限在航天領域；磷酸燃料電池(PAFC)由于其成本較低、性能優良而受到高度重視，發展迅速，已步入商業化階段，PAFC既可用于大規模發電，也可用于區域供電，作為汽車動力以及不間斷電源等，其中同時提供電和熱水是PAFC的*佳應用方式，目前全球大功率實用的燃料電池站基本都是PAFC；質子交換膜燃料電池(PEMFC)是美國通用電氣(GE)公司發明的，*早被美國國家航
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