低溫燃料電池：快速商業(yè)化技術(shù)

第1章  緒論 001
1.1  能源資源利用及發(fā)展趨勢(shì) 002
1.1.1  能源資源 002
1.1.2  全球能源需求和消費(fèi) 003
1.1.3  能源資源利用歷史趨勢(shì) 005
1.1.4  零碳能源 006
1.2  全球能源革命 006
1.3  可持續(xù)的能源技術(shù) 008
1.4  氫能源和氫經(jīng)濟(jì)概念 011
1.4.1  氫燃料和氫經(jīng)濟(jì)概念 011
1.4.2  氫經(jīng)濟(jì)的推動(dòng)力 013
1.4.3  氫經(jīng)濟(jì)研究發(fā)展的國(guó)際合作 013
1.5  中國(guó)氫經(jīng)濟(jì) 014
1.5.1  中國(guó)氫經(jīng)濟(jì)發(fā)展主要推動(dòng)力 016
1.5.2  中國(guó)氫能源發(fā)展總體目標(biāo)、技術(shù)路線和優(yōu)勢(shì) 018
1.5.3  中國(guó)氫經(jīng)濟(jì)發(fā)展預(yù)測(cè) 019
1.5.4  中國(guó)能源低碳化發(fā)展任重道遠(yuǎn) 020
1.6  能量轉(zhuǎn)換技術(shù)與氫燃料電池 020
1.6.1  氫燃料和燃料電池 021
1.6.2  能量轉(zhuǎn)換技術(shù)及其比較 022
1.7  燃料電池發(fā)展200年 026
1.8  燃料電池技術(shù)在中國(guó) 030
1.8.1  資金支持 030
1.8.2  中國(guó)燃料電池研發(fā)簡(jiǎn)史 031
1.8.3  燃料電池發(fā)展示范 032
1.8.4  中國(guó)燃料電池應(yīng)用領(lǐng)域 033
1.9  中國(guó)燃料電池發(fā)展展望 037
第2章  燃料電池技術(shù)基礎(chǔ) 042
2.1  概述 042
2.2  燃料電池的主要類型 044
2.2.1  堿燃料電池（AFC） 044
2.2.2  磷酸燃料電池（PAFC） 045
2.2.3  固體氧化物燃料電池（SOFC） 047
2.2.4  熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC） 048
2.2.5  質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC） 049
2.2.6  直接甲醇燃料電池（DMFC） 051
2.2.7  小結(jié) 053
2.3  燃料電池特征和特色 057
2.3.1  降低有害污染物排放 058
2.3.2  高效率 058
2.3.3  模塊化 059
2.3.4  快速負(fù)荷跟隨 059
2.3.5  安靜性質(zhì) 060
2.3.6  應(yīng)用范圍廣和燃料靈活性 060
2.3.7  高成本 060
2.3.8  低耐用性 061
2.3.9  氫公用基礎(chǔ)設(shè)施 061
2.3.10  水平衡 061
2.3.11  伴生負(fù)荷 062
2.4  不同燃料電池技術(shù)的比較 062
2.4.1  燃料電池技術(shù)特征比較 062
2.4.2  燃料電池應(yīng)用 064
2.5  氫燃料電池?zé)崃W(xué)分析 065
2.5.1  燃料電池反應(yīng)熱力學(xué) 065
2.5.2  燃料電池中的不可逆性 068
2.6  PEMFC氫燃料電池的電化學(xué)原理 069
2.6.1  引言 069
2.6.2  氫燃料電池可逆效率 070
2.6.3  可逆電壓 071
2.6.4  反應(yīng)物流速的影響 073
2.6.5  燃料電池的極化 074
2.6.6  燃料電池系統(tǒng)效率 081
2.6.7  燃料電池系統(tǒng)評(píng)價(jià)因子 082
2.7  單元池、電池堆和電池系統(tǒng) 082
2.7.1  單元池 082
2.7.2  電池堆 086
2.7.3  燃料電池系統(tǒng) 088
2.8  燃料電池操作條件影響 097
2.8.1  引言 097
2.8.2  控制水量和增濕的方法 098
2.8.3  冷卻方式 100
2.8.4  反應(yīng)物氣體濕度對(duì)池性能的影響 101
2.8.5  入口氣體溫度的影響 104
2.8.6  操作溫度效應(yīng) 106
2.8.7  氧分壓（氧化劑類型）效應(yīng) 108
第3章  燃料電池的應(yīng)用和市場(chǎng)Ⅰ：便攜式應(yīng)用和固定應(yīng)用 109
3.1  概述 109
3.1.1  能量轉(zhuǎn)換裝置 112
3.1.2  燃料電池與熱引擎和電池間的競(jìng)爭(zhēng) 112
3.1.3  燃料電池分類和世界主要發(fā)展商 112
3.2  燃料電池的應(yīng)用領(lǐng)域 113
3.2.1  引言 113
3.2.2  2008～2012年間燃料電池市場(chǎng)的增長(zhǎng) 115
3.3  燃料電池便攜式應(yīng)用 118
3.4  燃料電池固定應(yīng)用—分布發(fā)電單元（DG） 122
3.4.1  引言 122
3.4.2  燃料電池固定應(yīng)用的商業(yè)化發(fā)展 123
3.4.3  各類燃料電池DG應(yīng)用的商業(yè)化發(fā)展 124
3.5  燃料電池固定應(yīng)用：應(yīng)急電源和偏遠(yuǎn)地區(qū)電力系統(tǒng) 131
3.5.1  應(yīng)急電源（EPS）或不間斷電源（UPS） 131
3.5.2  偏遠(yuǎn)地區(qū)電力系統(tǒng)（RAPS） 133
3.6  燃料電池微CHP及其應(yīng)用 134
3.6.1  熱電聯(lián)產(chǎn)（CHP）技術(shù) 134
3.6.2  商業(yè)可利用的燃料電池微CHP產(chǎn)品 140
3.7  燃料電池CHP系統(tǒng) 143
3.7.1  引言 143
3.7.2  燃料電池CHP分類和組件 144
3.7.3  燃料電池與CHP 146
3.7.4  CHP（FC-CHP）在不同部門(mén)中的應(yīng)用 147
3.7.5  燃料電池CHP的優(yōu)缺點(diǎn) 150
3.7.6  FC-CHP系統(tǒng)的缺點(diǎn) 154
3.8  FC-CHP系統(tǒng)現(xiàn)狀 155
3.8.1  引言 155
3.8.2  FC-CHP在亞洲的發(fā)展 156
3.8.3  FC-CHP在歐洲的發(fā)展 158
3.8.4  FC-CHP系統(tǒng)在美洲的發(fā)展 159
3.8.5  FC-CHP在南非的發(fā)展 159
3.8.6  FC-CHP系統(tǒng)在澳大利亞的發(fā)展 159
3.9  FC-CHP系統(tǒng)的操作和成本 160
3.9.1  引言 160
3.9.2  耐用性和系統(tǒng)壽命 161
3.9.3  啟動(dòng)時(shí)間 163
3.9.4  性能降解 163
3.9.5  瞬時(shí)應(yīng)答特性和優(yōu)化操作時(shí)間 163
3.9.6  FC-CHP系統(tǒng)的成本 163
3.9.7  運(yùn)行成本 165
3.10  燃料電池三聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)（FC-CCHP） 165
3.10.1  引言 165
3.10.2  FC-CCHP系統(tǒng)的應(yīng)用 168
3.11  燃料電池與其他發(fā)電裝置的集成 170
3.11.1  引言 170
3.11.2  SOFC與氣體透平組合 172
3.11.3  SOFC與蘭開(kāi)夏循環(huán)集成 174
3.11.4  燃?xì)馔钙剑–T）與SOFC的組合 175
3.11.5  SOFC組合技術(shù)在船舶上的應(yīng)用 176
第4章  燃料電池的應(yīng)用和市場(chǎng)Ⅱ：運(yùn)輸應(yīng)用 178
4.1  概述 178
4.1.1  引言 178
4.1.2  燃料電池在運(yùn)輸部門(mén)的應(yīng)用 179
4.1.3  燃料電池運(yùn)輸應(yīng)用的商業(yè)化發(fā)展 181
4.2  電動(dòng)車輛 185
4.2.1  引言 185
4.2.2  車輛分類 186
4.3  輕型燃料電池牽引車輛（LTV） 192
4.4  輕載燃料電池電動(dòng)車輛（L-FCEV） 195
4.4.1  一般描述 195
4.4.2  排放降低 198
4.4.3  氫燃料 198
4.5  重載燃料電池電動(dòng)車輛（H-FCEV） 201
4.5.1  引言 201
4.5.2  H-FCEV的發(fā)展實(shí)例 204
4.5.3  FCEV成本 205
4.6  氫燃料電池大客車的發(fā)展和示范試驗(yàn) 205
4.6.1  引言 205
4.6.2  電動(dòng)大巴技術(shù)概述 206
4.6.3  電動(dòng)大巴市場(chǎng)趨勢(shì) 207
4.6.4  燃料電池電動(dòng)大巴在各國(guó)的發(fā)展簡(jiǎn)況 208
4.6.5  美國(guó)燃料電池大巴 210
4.6.6  歐洲燃料電池大巴 213
4.6.7  加拿大燃料電池大巴 215
4.6.8  電動(dòng)大巴的性能特色 219
4.6.9  燃料電池大巴（FCEB）的成就和挑戰(zhàn) 224
4.7  燃料電池車輛中的燃料電池和氫燃料問(wèn)題以及計(jì)劃目標(biāo) 225
4.7.1  燃料電池技術(shù) 225
4.7.2  氫公用基礎(chǔ)設(shè)施 229
4.7.3  計(jì)劃和目標(biāo) 231
4.8  燃料電池在航空器中的應(yīng)用 233
4.9  燃料電池應(yīng)用于船舶推進(jìn) 235
4.9.1  引言 235
4.9.2  船上應(yīng)用燃料電池的項(xiàng)目和研究 235
4.9.3  潛艇 241
4.9.4  船舶用燃料電池 243
4.10  燃料電池輔助功率單元 244
4.10.1  對(duì)輔助功率單元的需求 244
4.10.2  燃料電池輔助功率單元市場(chǎng)應(yīng)用分析 246
4.10.3  SOFC輔助功率單元樣機(jī) 252
4.10.4  高溫PEMFC燃料電池輔助功率單元（HT-PEMFC APU） 254
第5章  PEFC材料和制造Ⅰ：聚合物電解質(zhì) 257
5.1  概述 257
5.1.1  聚合物電解質(zhì)燃料電池 257
5.1.2  聚合物電解質(zhì)膜 258
5.1.3  中低溫燃料電池聚合物電解質(zhì)膜分類 260
5.2  聚合物電解質(zhì)膜材料 261
5.2.1  全氟磺酸離子交聯(lián)聚合物 261
5.2.2  部分氟化聚合物 265
5.2.3  非氟化聚合物 266
5.2.4  聚合物摻合物 267
5.2.5  無(wú)水聚合物—酸堿復(fù)合物 268
5.2.6  聚合物電解質(zhì)膜的質(zhì)子電導(dǎo)率 269
5.2.7  可替代Nafion的聚合物電解質(zhì)膜小結(jié) 270
5.2.8  聚合物電解質(zhì)膜的基礎(chǔ)研究 271
5.3  中溫和低濕度磺化烴類膜 272
5.3.1  引言 272
5.3.2  高性能磺化烴類PEM 274
5.3.3  磺化烴類PEM的物理化學(xué)調(diào)變 280
5.3.4  表面改性—氟化PEM 283
5.3.5  熱退火 285
5.4  高溫酸摻雜PBI電解質(zhì)膜 287
5.4.1  引言 287
5.4.2  PBI基高溫PEMFC 288
5.4.3  高溫操作HT-PEMFC的主要優(yōu)缺點(diǎn) 288
5.4.4  PBI聚合物膜 289
5.4.5  酸摻雜聚苯并咪唑膜 290
5.4.6  PBI的合成和改性 291
5.4.7  PBI膜的制作和改性 292
5.4.8  PBI膜燃料電池初步性能 293
5.4.9  酸堿絡(luò)合物膜 293
5.5  陶瓷PEM膜材料 295
5.6  PEM中的質(zhì)子傳導(dǎo)機(jī)理 296
5.7  復(fù)合物質(zhì)子交換膜 297
5.7.1  引言 297
5.7.2  聚合物復(fù)合物膜的概念和設(shè)計(jì) 302
5.7.3  聚合物復(fù)合物膜的材料 305
5.7.4  有機(jī)-無(wú)機(jī)納米復(fù)合物PEM的制備 311
5.7.5  不同類型聚合物復(fù)合物膜 315
5.7.6  聚合物復(fù)合膜小結(jié) 324
5.8  陰離子交換膜材料 325
5.8.1  引言 325
5.8.2  SAFC對(duì)陰離子交換膜的要求 327
5.8.3  陰離子交換膜 327
5.8.4  AAEMFC應(yīng)用要解決的問(wèn)題 329
第6章  PEFC材料和制造Ⅱ：催化劑和載體 332
6.1  概述 332
6.2  鉑基催化劑 333
6.2.1  引言 333
6.2.2  單Pt電催化劑 334
6.2.3  Pt催化劑上HOR和ORR的機(jī)理 335
6.2.4  影響Pt催化劑性能的因素 336
6.3  Pt合金催化劑 338
6.4  Pt基催化劑的結(jié)構(gòu)形貌控制 340
6.4.1  粒子大小效應(yīng) 340
6.4.2  粒子形貌效應(yīng) 341
6.5  核殼結(jié)構(gòu)催化劑 346
6.5.1  核殼結(jié)構(gòu)和應(yīng)變效應(yīng) 346
6.5.2  單一金屬納米粒子作為核材料 346
6.5.3  金屬合金納米核材料 347
6.6  中空結(jié)構(gòu)納米粒子催化劑 349
6.6.1  引言 349
6.6.2  Pt中空納米粒子 349
6.6.3  合金中空納米粒子 350
6.7  納米結(jié)構(gòu)薄膜催化劑 352
6.7.1  引言 352
6.7.2  納米結(jié)構(gòu)薄膜催化劑和MEA的制備 355
6.7.3  NSTF和Pt/C型MEA的比較 355
6.7.4  3M納米結(jié)構(gòu)薄膜催化劑層的特色和挑戰(zhàn) 358
6.7.5  催化劑層組分和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化 359
6.8  非鉑催化劑 362
6.8.1  引言 362
6.8.2  過(guò)渡金屬絡(luò)合物催化劑 363
6.8.3  酞菁配體過(guò)渡金屬大環(huán)催化劑 364
6.8.4  卟啉配體過(guò)渡金屬大環(huán)催化劑 368
6.8.5  其他大環(huán)配體過(guò)渡金屬大環(huán)催化劑 370
6.8.6  碳混雜物作為堿燃料電池中ORR電催化劑 371
6.8.7  小結(jié) 372
6.9  一維納米結(jié)構(gòu)電催化劑 374
6.9.1  引言 374
6.9.2  PEMFC應(yīng)用1D納米結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn) 374
6.9.3  PEMFC應(yīng)用的1D納米結(jié)構(gòu)催化劑制備 375
6.9.4  1D納米結(jié)構(gòu)催化劑的發(fā)展 376
6.9.5  烴類氧化反應(yīng)的1D 納米結(jié)構(gòu)催化劑 381
6.9.6  1D Pt基納米結(jié)構(gòu)PEMFC電極 386
6.9.7  1D納米結(jié)構(gòu)催化劑小結(jié) 388
6.10  電催化劑碳載體材料 389
6.10.1  引言 389
6.10.2  炭黑 391
6.10.3  納米結(jié)構(gòu)碳材料 393
6.10.4  碳載體與催化劑間的相互作用 401
6.10.5  載體材料的選擇標(biāo)準(zhǔn) 403
6.11  非碳和金屬氧化物載體 404
6.11.1  引言 404
6.11.2  金屬氧化物載體 404
6.11.3  Ti化合物載體 405
6.11.4  含錫化合物 407
6.11.5  二氧化硅 408
6.11.6  鎢化合物 409
6.11.7  硫酸氧鋯 410
6.11.8  導(dǎo)電聚合物 410
6.11.9  混合載體 411
6.11.10  小結(jié) 412
第7章  PEFC材料和制造Ⅲ：BP和燃料電池設(shè)計(jì)制造技術(shù) 413
7.1  碳基材料雙極板 413
7.1.1  引言 413
7.1.2  雙極板用聚合物 414
7.1.3  成型方法 415
7.1.4  填充劑 416
7.1.5  聚合物復(fù)合物BP的性質(zhì) 419
7.2  金屬雙極板 421
7.2.1  引言 421
7.2.2  不銹鋼BP材料 424
7.2.3  不銹鋼的涂層 424
7.2.4  非鐵合金和涂層 427
7.2.5  金屬BP的成型—沖壓和液壓 428
7.2.6  金屬BP的離子污染 430
7.2.7  小結(jié) 431
7.3  雙極板設(shè)計(jì)和制造 432
7.3.1  雙極板設(shè)計(jì) 432
7.3.2  雙極板材料選擇 435
7.3.3  雙極板制造 438
7.3.4  碳基復(fù)合物BP的制作 441
7.4  多孔氣體擴(kuò)散層（GDL） 442
7.4.1  大孔基質(zhì)（MPS） 442
7.4.2  微孔層（MPL） 443
7.4.3  MPL組件和制備模式 443
7.4.4  氣體和液體水在GDL（MPL和MPS）中的傳輸 444
7.5  MEA設(shè)計(jì)裝配和制造 444
7.5.1  引言 444
7.5.2  MEA設(shè)計(jì) 446
7.5.3  MEA制造 452
7.6  PEFC裝配和制造 458
7.6.1  引言 458
7.6.2  膜電極裝配體 459
7.6.3  流動(dòng)場(chǎng)板 459
7.6.4  氣體擴(kuò)散層 461
7.6.5  裝配壓縮效應(yīng) 463
7.6.6  影響裝配壓縮的因素 468
7.6.7  裝配壓縮對(duì)性能參數(shù)的影響 469
7.6.8  池堆壓縮的方法 473
7.6.9  壓縮裝配小結(jié) 476
7.7  燃料電池性能測(cè)試表征 476
7.7.1  極化曲線 477
7.7.2  阻抗譜 477
7.7.3  電流截?cái)喾椒?479
7.7.4  伏安法 480
7.7.5  其他原位測(cè)量技術(shù) 481
7.7.6  離位表征 481
7.7.7  加速老化試驗(yàn) 484
第8章  聚合物電解質(zhì)燃料電池技術(shù)面對(duì)的挑戰(zhàn) 488
8.1  概述 488
8.1.1  引言 488
8.1.2  燃料電池工業(yè)的現(xiàn)時(shí)狀態(tài) 490
8.1.3  未來(lái)目標(biāo) 491
8.1.4  條碼、標(biāo)準(zhǔn)、安全和公眾醒悟 494
8.2  燃料電池面對(duì)的主要挑戰(zhàn) 494
8.2.1  高成本 494
8.2.2  低耐用性 495
8.2.3  氫公用設(shè)施 495
8.2.4  商業(yè)化壁壘 495
8.3  PEMFC成本的綜合分析 497
8.3.1  引言 497
8.3.2  成本分析類型 498
8.3.3  膜和催化劑成本降低對(duì)PEMFC成本的重要性 501
8.3.4  小結(jié) 503
8.4  燃料電池材料和組件進(jìn)展 504
8.4.1  引言 504
8.4.2  聚合物電解質(zhì)膜 505
8.4.3  催化劑層 508
8.4.4  PEMFC的先進(jìn)性能 516
8.4.5  PEMFC的耐用性 517
8.4.6  池堆 517
8.4.7  組件降解和緩解方法小結(jié) 518
8.5  關(guān)系到水管理的降解和緩解方法 519
8.5.1  引言 519
8.5.2  PEMFC中的水平衡 520
8.5.3  水分布和傳輸 520
8.5.4  水保留和累積 525
8.5.5  緩解策略（對(duì)水保留和累積引起的降解） 531
8.5.6  在PEMFC中的水傳輸 535
8.5.7  水管理小結(jié) 537
8.6  直接甲醇燃料電池的耐用性和恢復(fù)技術(shù) 538
8.6.1  引言 538
8.6.2  DMFC操作耐用性的現(xiàn)時(shí)狀態(tài) 538
8.6.3  在DMFC長(zhǎng)期操作期間的性能降解 540
8.6.4  性能恢復(fù)技術(shù) 548
8.6.5  DMFC性能降解和恢復(fù)技術(shù)小結(jié) 550
8.7  高溫PEMFC的降解和緩解技術(shù) 551
8.7.1  引言 551
8.7.2  HT-PEMFC的降解和緩解 553
8.7.3  操作條件引起的降解和緩解 557
8.7.4  原位診斷作為緩解技術(shù) 560
8.7.5  HT-PEMFC降解和緩解技術(shù)小結(jié) 561
第9章  新概念燃料電池 562
9.1  可逆再生燃料電池 563
9.1.1  引言 563
9.1.2  整體再生質(zhì)子交換膜燃料電池（UR-PEMFC） 569
9.1.3  固體氧化物電解池SOEC和可再生固體氧化物燃料電池（RSOFC） 579
9.2  微生物燃料電池 581
9.2.1  引言 581
9.2.2  微生物燃料電池的設(shè)計(jì) 583
9.2.3  MFC中的生物陰極 586
9.2.4  微生物燃料電池性能 588
9.2.5  MFC的應(yīng)用 589
9.2.6  MFC的未來(lái) 591
9.3  微生物燃料電池處理污水 591
9.3.1  引言 591
9.3.2  污水處理過(guò)程的能量消耗和回收 592
9.3.3  MFC優(yōu)勢(shì)和原理 595
9.3.4  MFC移去有機(jī)物質(zhì) 598
9.3.5  MFC移去營(yíng)養(yǎng)物質(zhì) 600
9.3.6  MFC移去金屬 601
9.3.7  源分離 602
9.3.8  現(xiàn)時(shí)的挑戰(zhàn)和潛在的機(jī)遇 603
9.4  微生物電解池 606
9.4.1  可持續(xù)處理廢水的微生物電解池 606
9.4.2  電極、膜和反應(yīng)器構(gòu)型 607
9.4.3  實(shí)驗(yàn)室或半中試規(guī)模MEC用于污水處理 610
9.4.4  中試規(guī)模MEC處理WW 613
9.4.5  經(jīng)濟(jì)和環(huán)境考慮 614
9.4.6  MEC使用展望：挑戰(zhàn)和未來(lái)前景 616
9.5  直接液體燃料電池 618
9.5.1  引言 618
9.5.2  直接乙醇燃料電池 621
9.5.3  直接乙二醇燃料電池 627
9.5.4  直接甲酸鹽燃料電池 631
9.5.5  直接硼氫化物燃料電池 638
9.6  直接固體燃料電池 641
9.6.1  引言 641
9.6.2  直接碳燃料電池 642
9.6.3  DCFC基礎(chǔ)描述 643
9.6.4  熔融氫氧化物DCFC 643
9.6.5  熔融碳酸鹽DCFC 645
9.6.6  氧離子傳導(dǎo)DCFC 646
參考文獻(xiàn) 652
附錄 662