燃料电池作为继火电、水电、核电之后的第四代发电方式，被誉为21世纪清洁、高效的动力源，受到人们广泛的关注，燃料电池技术也在飞速地发展。

本书详细分析论述了燃料电池氢源技术、各种类型燃料电池的关键技术、发展现状与前景以及燃料电池电能输出技术。本书既在基本原理方面做了深入介绍，又总结了许多实践方面的经验；既突出了目前国际上发展迅速的质子交换膜燃料电池、甲醇燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池与固体氧化物燃料电池等几种燃料电池技术，又突出了制氢技术作为燃料电池发电方式基础的重要性以及电能输出的技术特点，同时还反映了近年来燃料电池技术的最新科技成果与未来发展方向。

本书既可作为从事燃料电池技术开发与研究的专业教师与研究人员的参考和指导用书，也可作为燃料电池技术爱好者的自学教材。

肖钢，男，1961年生，1984年毕业于东北大学。1992年获得丹麦技术大学博士学位。 20世纪80年代开始燃料电池的研究，在燃料电池催化剂、新型电解质、膜电极制备、燃料重整制氢及电池系统集成方面具有丰富经验。他曾多年任教于丹麦技术大学；在北欧曾参与磷酸型、熔融碳酸盐型及质子交换膜型燃料电池的研发工作及国际合作项目；作为主要参与人与丹麦哈尔杜·托普索公司在化石能源催化转化技术、燃料电池技术及工业尾气提氢方面进行过长期合作并曾受聘于该公司；他曾参与通用汽车公司高温及改性质子交换膜燃料电池的研发项目。 　他在化石能源的高效转化利用方面颇有建树，特别是在天然气（非合成气法）直接转化制甲醇及二甲醚、煤的转化利用等领域具有一定成果。 　 他现任国际催化学会联盟（IACS）会员，国际氢能学会（IAHE）会员，国际太阳能学会（ISES）会员，中国《煤炭转化》杂志理事会常务理事代表，北京市重点产业知识产权联盟特聘专家，西北大学客座教授，沈阳化工学院客座教授。作为主要发明人的国际及中国受理专利180余项。

作　者：肖钢　著

出 版 社：电子工业出版社

出版时间：2009-1-1

版　次：1页　数：248字　数：375200 印刷时间：2009-1-1开　本：16开纸　张：胶版

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本书作者具有20余年的燃料电池研究经历，对磷酸燃料电池、质子交换膜燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池以及固体氧化物燃料电池都有广泛的涉猎与独特的见解。可以说本书是作者多年研究结果的汇总，同时作者也收集了大量国内外最新研究成果与信息，希望展示给读者的是一本全面而新鲜的燃料电池技术读物。本书在介绍燃料电池的历史与发展的基础上，分析了各类燃料电池的特点，阐述了燃料电池的热力学与动力学原理和现代燃料电池研究方法。详细介绍了燃料电池的燃料与氧化剂的供给，其中重点论述了氢源技术。还分别介绍了几种不同类型燃料电池的工作特性与应用范围，给读者展示出多种燃料电池的原理与发展动向。

第1章 燃料电池简介

1.1 燃料电池简史

1.1.1 燃料电池启蒙阶段

1.1.2 燃料电池现代发展阶段

1.2 燃料电池基本原理

1.3 燃料电池系统

1.3.1 燃料处理系统

1.3.2 排热回收系统

1.4 燃料电池特性

1.4.1 良好的环境相容性

1.4.2 良好的操作性能

1.4.3 灵活可靠的输出性能

1.4.4 灵活的结构特性

1.4.5 燃料电池存在的问题

1.5 燃料电池分类

1.5.1 碱性燃料电池

1.5.2 质子交换膜燃料电池

1.5.3 直接甲醇燃料电池

1.5.4 磷酸燃料电池

1.5.5 熔融碳酸盐燃料电池

1.5.6 固体氧化物燃料电池

1.6 其他类型燃料电池

1.6.1 再生型燃料电池

1.6.2 锌空燃料电池

1.6.3 生物燃料电池

参考文献

第2章 燃料电池基础理论与研究方法

2.1 燃料电池中的化学热力学

2.1.1 化学热力学基础

2.1.2 气体压力、浓度和温度对电极电势的影响

2.1.3 燃料电池的效率

2.2 燃料电池中的电极反应动力学[2～5]

2.2.1 燃料电池的不可逆性——电压降

2.2.2 Butler-Volmer方程

2.2.3 活化损失

2.2.4 传质损失

2.2.5 欧姆损失

2.2.6 燃料电池的渗透及内电流

2.3 电催化理论简介

2.3.1 析氢反应和氢氧化反应机理

2.3.2 氧的还原反应

2.3.3 甲醇电催化氧化原理

2.4 燃料电池的传质

2.5 燃料电池表征方法

2.5.1 催化剂相关表征方法

2.5.2 燃料电池测试系统

2.5.3 燃料电池各种损失的表征方法

参考文献

第3章 燃料电池的燃料与氧化剂供应

3.1 化石燃料

3.1.1 石油

3.1.2 低硫轻质石油及液化石油气

3.1.3 天然气

3.1.4 煤和煤气

3.2 生物燃料

3.3 氢

3.3.1 氢的制取

3.3.2 氢燃料的纯化

3.3.3 氢的贮存

3.3.4 氢的运输和加注

3.3.5 氢的安全性

3.4 燃料电池氧化剂的供应

3.4.1 压缩机类型

3.4.2 压缩机供气量和压缩机的选择

参考文献

第4章 碱性燃料电池

4.1 引言

4.2 工作原理

4.3 电催化剂与电极

4.3.1 电催化剂

4.3.2 电极结构与制备工艺

4.4 电解质

4.5 AFC性能的影响因素和存在的问题

4.5.1 操作压力

4.5.2 操作温度

4.5.3 电解质浓度

4.5.4 CO2的毒化问题

4.5.5 排水方法

参考文献

第5章 质子交换膜燃料电池

5.1 引言

5.2 PEMFC的特征

5.2.1 能量转换效率

5.2.2 温度特性

5.2.3 压力特性

5.2.4 CO的影响

5.2.5 寿命

5.2.6 电池及电堆性能特征描述

5.3 质子交换膜

5.3.1 概述

5.3.2 全氟磺酸膜

5.3.3 非全氟磺酸膜

5.3.4 耐热型质子交换膜

5.3.5 质子交换膜发展方向

5.4 电催化剂

5.4.1 电催化剂的技术指标与选择原则

5.4.2 阳极催化剂及其发展趋势

5.4.3 阴极催化剂

5.4.4 电催化剂的制备方法

5.5 电极

5.5.1 气体扩散层

5.5.2 催化层

5.5.3 膜电极“三合一”组件的制备

5.6 双极板及流场设计

5.6.1 双极板的功能和特点

5.6.2 双极板种类及其特征

5.6.3 流场形式及特征

5.6.4 双极板及流场设计发展展望

5.7 PEMFC系统

5.7.1 单电池与电堆

5.7.2 PEMFC加湿单元

5.7.3 PEMFC供气单元

5.7.4 PEMFC电源系统集成与运行管理

5.8 PEMFC的应用

5.8.1 小型定置发电系统

5.8.2 运输工具

5.8.3 便携式电源

5.9 可再生燃料电池（RFC）

参考文献

第6章 直接甲醇燃料电池

6.1 引言

6.2 DMFC的工作原理

6.2.1 DMFC电极反应

6.2.2 甲醇电催化氧化原理及影响因素

6.3 DMFC阴阳极催化剂及质子交换膜

6.3.1 DMFC阴极催化剂

6.3.2 DMFC阳极催化剂

6.3.3 DMFC质子交换膜

6.4 DMFC及其性能影响因素分析

6.4.1 DMFC的组成与结构

6.4.2 DMFC工作条件和进料方式

6.4.3 DMFC的功率范围及限制因素

6.5 DMFC系统的应用发展

参考文献

第7章 磷酸燃料电池

7.1 引言

7.2 PAFC工作原理与特性

7.2.1 工作原理

7.2.2 PAFC特性

7.3 PAFC组成材料

7.3.1 电解质与载体

7.3.2 催化剂

7.3.3 双极板

7.4 PAFC结构

7.4.1 电极结构及制备工艺

7.4.2 单电池与电池堆

7.5 影响PAFC性能的因素

7.5.1 压力

7.5.2 温度

7.5.3 燃料组成及利用率

7.5.4 氧化剂组成及利用率

7.6 技术开发重点

参考文献

第8章 熔融碳酸盐燃料电池

8.1 MCFC工作原理

8.2 熔融碳酸盐燃料电池材料

8.2.1 阳极材料

8.2.2 阴极材料

8.2.3 基体材料

8.3 影响熔融碳酸盐燃料电池性能的因素

8.3.1 压力的影响

8.3.2 温度的影响

8.3.3 反应气体组分和利用率的影响

8.4 熔融碳酸盐燃料电池的应用与发展

参考文献

第9章 固体氧化物燃料电池

9.1 历史

9.2 SOFC的工作原理

9.3 SOFC技术和应用

9.4 SOFC材料

9.4.1 固体电解质材料

9.4.2 阳极材料

9.4.3 阴极材料

9.4.4 连接材料

9.5 SOFC的制备工艺

9.5.1 物理法

9.5.2 化学法

9.5.3 陶瓷成型法

9.6 SOFC的电堆结构

9.6.1 管状设计

9.6.2 平板式设计

9.6.3 合并的平板式SOFC和平管高功率密度设计

9.7 燃料和燃料的处理

9.7.1 内部重整

9.7.2 碳氢燃料的直接氧化

参考文献

第10章 燃料电池的电能输出

10.1 引言

10.2 线性电源电路

10.3 开关电源主要元、器件

10.3.1 高频二极管

10.3.2 功率场效应管（MOSFET）

10.3.3 磁路与磁性材料

10.3.4 电感

10.3.5 变压器

10.4 Buck开关调整器

10.5 Boost开关调整器

10.5.1 Boost开关调整器的工作原理

10.5.2 燃料电池辅助电源用锂电池选择实例

10.6 Cuk开关调整器

10.7 Sepic开关调整器

10.7.1 Sepic开关调整器的工作原理

10.7.2 10 W燃料电池电压变换实例

10.8 单端正激变换器

10.9 推挽型变换器

10.10 全桥变换器

10.11 开关电源的控制原理

10.12 800 W燃料电池DC/DC变换器实例

参考文献

结束语

燃料电池其原理是一种电化学装置，其组成与一般电池相同。其单体电池是由正负两个电极(负极即燃料电极和正极即氧化剂电极)以及电解质组成。不同的是一般电池的活性物质贮存在电池内部，因此，限制了电池容量。而燃料电池的正、负极本身不包含活性物质，只是个催化转换元件。因此燃料电池是名符其实的把化学能转化为电能的能量转换机器。电池工作时，燃料和氧化剂由外部供给，进行反应。原则上只要反应物不断输入，反应产物不断排除，燃料电池就能连续地发电。这里以氢-氧燃料电池为例来说明燃料电池

氢-氧燃料电池反应原理这个反应是电解水的逆过程。电极应为： 负极：H₂ 2OH^-→2H₂O 2e^-

正极：1/2O₂ H₂O 2e^-→2OH^-

电池反应：H₂ 1/2O₂==H₂O

另外，只有燃料电池本体还不能工作，必须有一套相应的辅助系统，包括反应剂供给系统、排热系统、排水系统、电性能控制系统及安全装置等。

燃料电池通常由形成离子导电体的电解质板和其两侧配置的燃料极（阳极）和空气极（阴极）、及两侧气体流路构成，气体流路的作用是使燃料气体和空气（氧化剂气体）能在流路中通过。

在实用的燃料电池中因工作的电解质不同，经过电解质与反应相关的离子种类也不同。PAFC和PEMFC反应中与氢离子（H ）相关，发生的反应为：

燃料极：H₂==2H 2e^-（1）

空气极：2H 1/2O₂ 2e^-==H₂O（2）

全体：H₂ 1/2O₂==H₂O（3）

在燃料极中，供给的燃料气体中的H₂分解成H 和e^-，H 移动到电解质中与空气极侧供给的O₂发生反应。e^-经由外部的负荷回路，再反回到空气极侧，参与空气极侧的反应。一系例的反应促成了e^-不间断地经由外部回路，因而就构成了发电。并且从上式中的反应式（3）可以看出，由H₂和O₂生成的H₂O，除此以外没有其他的反应，H₂所具有的化学能转变成了电能。但实际上，伴随着电极的反应存在一定的电阻，会引起了部分热能产生，由此减少了转换成电能的比例。 引起这些反应的一组电池称为组件，产生的电压通常低于一伏。因此，为了获得大的出力需采用组件多层迭加的办法获得高电压堆。组件间的电气连接以及燃料气体和空气之间的分离，采用了称之为隔板的、上下两面中备有气体流路的部件，PAFC和PEMFC的隔板均由碳材料组成。堆的出力由总的电压和电流的乘积决定，电流与电池中的反应面积成比。

PAFC的电解质为浓磷酸水溶液，而PEMFC电解质为质子导电性聚合物系的膜。电极均采用碳的多孔体，为了促进反应，以Pt作为触媒，燃料气体中的CO将造成中毒，降低电极性能。为此，在PAFC和PEMFC应用中必须限制燃料气体中含有的CO量，特别是对于低温工作的PEMFC更应严格地加以限制。

磷酸燃料电池的基本组成和反应原理是：燃料气体或城市煤气添加水蒸气后送到改质器，把燃料转化成H₂、CO和水蒸气的混合物，CO和水进一步在移位反应器中经触媒剂转化成H₂和CO₂。经过如此处理后的燃料气体进入燃料堆的负极(燃料极)，同时将氧输送到燃料堆的正极(空气极)进行化学反应，借助触媒剂的作用迅速产生电能和热能。

相对PAFC和PEMFC，高温型燃料电池MCFC和SOFC则不要触媒，以CO为主要成份的煤气化气体可以直接作为燃料应用，而且还具有易于利用其高质量排气构成联合循环发电等特点。

MCFC主构成部件。含有电极反应相关的电解质（通常是为Li与K混合的碳酸盐）和上下与其相接的2块电极板（燃料极与空气极），以及两电极各自外侧流通燃料气体和氧化剂气体的气室、电极夹等，电解质在MCFC约600~700℃的工作温度下呈现熔融状态的液体，形成了离子导电体。电极为镍系的多孔质体，气室的形成采用抗蚀金属。

MCFC工作原理。空气极的O₂（空气）和CO₂与电相结合，生成CO₃^2-（碳酸离子），电解质将CO₃^2-移到燃料极侧，与作为燃料供给的H 相结合，放出e^-，同时生成H₂O和CO₂。化学反应式如下：

燃料极：H₂ CO₃^2-==H₂O CO₂ 2e^-（4）

空气极：CO₂ 1/2O₂ 2e^-==CO₃^2-（5）

全体：H₂ 1/2O₂==H₂O（6）

在这一反应中，e^-同在PAFC中的情况一样，它从燃料极被放出，通过外部的回路反回到空气极，由e^-在外部回路中不间断的流动实现了燃料电池发电。另外，MCFC的最大特点是，必须要有有助于反应的CO₃^2-离子，因此，供给的氧化剂气体中必须含有碳酸气体。并且，在电池内部充填触媒，从而将作为天然气主成份的CH₄在电池内部改质，在电池内部直接生成H₂的方法也已开发出来了。而在燃料是煤气的情况下，其主成份CO和H₂O反应生成H₂，因此，可以等价地将CO作为燃料来利用。为了获得更大的出力，隔板通常采用Ni和不锈钢来制作。

SOFC是以陶瓷材料为主构成的，电解质通常采用ZrO₂(氧化锆)，它构成了O^2-的导电体Y₂O₃（氧化钇）作为稳定化的YSZ（稳定化氧化锆）而采用。电极中燃料极采用Ni与YSZ复合多孔体构成金属陶瓷，空气极采用LaMnO₃(氧化镧锰)。隔板采用LaCrO₃(氧化镧铬)。为了避免因电池的形状不同，电解质之间热膨胀差造成裂纹产生等，开发了在较低温度下工作的SOFC。电池形状除了有同其他燃料电池一样的平板型外，还有开发出了为避免应力集中的圆筒型。SOFC的反应式如下：

燃料极：H₂ O^2-==H₂O 2e^-（7）

空气极：1/2O₂ 2e^-==O^2-（8）

全体：H₂ 1/2O₂==H₂O（9）

燃料极，H₂经电解质而移动，与O^2-反应生成H₂O和e^-。空气极由O₂和e^-生成O^2-。全体同其他燃料电池一样由H₂和O₂生成H₂O。在SOFC中，因其属于高温工作型，因此，在无其他触媒作用的情况下即可直接在内部将天然气主成份CH₄改质成H₂加以利用，并且煤气的主要成份CO可以直接作为燃料利用。

从电解质所使用的材料看，已发展了三代：第一代为磷酸盐型，发电效率达40%～50%，工作温度为150～200℃，有可能实现商业化的就属于这种类型，日本已建成世界上最大功率为1.1万千瓦磷酸型水冷式燃料电池，但它有排热温度低的缺点;第二代为熔化碳酸盐型，发电效率达45%～55%，工作温度为600～700℃，对利用余热也有利，但需要解决耐电解质腐蚀的材料问题;第三代为固体电解质型(如氧化锆燃料电池)，发电效率可高达50%～60%，工作温度高达1000℃，有利于综合利用热能，但材料技术仍然是大规模发展的障碍之一。已研究过的燃料，除氢气外，还有一氧化碳、甲醇、氨、甲烷、丙烷等。为寻求高性能的激活反应物质(催化剂)和耐高温腐蚀的电极材料以及减少热损失和改善化工技术等，科学家们正在深入地进行基础研究。该发电装置有广泛的适应性，不仅用在飞船和卫星上，也可用在远离陆地的岛屿、高山上，还可用于宾馆、饭店中。