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第1章 什么是燃料电池
001 燃料电池反应与水的电解反应互为逆反应，燃料电池通过氢气和空气的反应产生电能 002
002 燃料电池的反应是指从燃料直接产生电能的电化学反应 004
003 由于自然界中不存在氢气，一般通过化石燃料的改质过程得到氢气 006
004 燃料电池在低温操作和规模小的情况下也能实现较高的发电效率 008
005 作为发电单位的单电池由电极、电解质、分离器和外部回路组成 010
006 可根据吉布斯自由能的减少量计算电池的电能与电压 012
007 求燃料电池的发电效率时用热力学能量函数 014
008 电流取决于电极的反应速率 016
009 增加电流时，电极间的电压下降 018
010 电极上形成接触气体分子、催化剂、电解质的三相界面 020
011 单电池的电压为1V左右，层叠之后就能实现高电压 022
012 组成燃料电池的系统中有些组成部分是必不可少的 024
013 用化石燃料制备氢气的燃料处理装置的改质过程 026
014 验证实验终有结果 家用燃料电池系统迎来商业化应用 028
015 世界上第*个燃料电池是威廉格鲁夫的水电解实验装置 030
016 以地面利用为目标的燃料电池的开发轨迹 032
017 根据电解质的种类对燃料电池进行分类 034
018 高输出低价格的碱型燃料电池在宇宙开发和人造卫星中的应用 036
019 磷酸型燃料电池在中容量热电联产电厂中的应用 038
020 低温型燃料电池和高温型燃料电池各有千秋 040
021 熔融碳酸盐型燃料电池的工作原理及其特征 042
022 固体氧化物型燃料电池由陶瓷构造体构成 044
023 固体氧化物型燃料电池中，天然气也能作为燃料直接使用 046
024 固体氧化物型燃料电池的圆筒形构造能够保持强度，不容易损坏 048
025 固体高分子型燃料电池中，水的恰当管理非常重要 050
026 甲醇燃料电池中甲醇可直接发生反应，可用于便携式设备电源 052
027 肼燃料电池历史悠久，*近由于其零碳排放引起人们的关注 054
COLUMN 燃料电池单电池的工作 056
第2章 燃料电池与充电电池的不同之处
028 燃料电池具有发电功能，充电电池能够储存电能 058
029 充放电时的电极反应与活性物质的变化 060
030 只有离子能通过充电电池电解质中的隔膜 062
031 追踪丹尼尔电池的电化学反应过程 064
032 铅蓄电池的放电反应中二氧化铅和铅反应生成硫酸铅和水 066
033 充电是把放电后的活性物质通过电解反应变回原来物质的过程 068
034 表示充电电池性能与特性的独特评价指标 070
035 从反应式计算理论能量密度 072
036 现实中，电池的能量密度低于理论能量密度 074
037 镍氢电池的充放电反应与充电电池的发展历程 076
038 电动汽车开发中受到关注的锂离子电池 078
039 锂的特性与锂系电池 080
040 锂离子电池的充放电过程及其特征 082
041 锂离子电池引起的起火事故与安全对策 084
042 支持智能电网（第二代电力网）的大容量蓄电池 086
043 在外部储藏全部活性物质的氧化还原液流电池 088
COLUMN 燃料电池和充电电池的基本原理都是氧化还原反应 090
第3章 生活中广泛应用的家庭用燃料电池
044 家庭用燃料电池的普及推广是对抗全电化的表现 092
045 选择固体高分子型燃料电池是从产学研结合项目获得的成绩 094
046 燃料电池发电向基础电力供应的方向发展 096
047 从电力与热能需求量的比例出发，设定额定输出功率为1kW 098
048 冬夏季电力需求高，夏季热能需求低 100
049 家庭用燃料电池的物质、热能、电的流动 102
050 追踪系统内空气与水的流动 104
057 追踪热能的流动 排热回收系统的作用 106
052 家庭用燃料电池以安全、安心和经久耐用为先决条件 108
053 家庭用燃料电池的进化 110
054 中温工作型燃料电池的开发实例 112
055 家用固体氧化物型燃料电池的优点 114
056 家庭用固体氧化物型燃料电池中存在的问题 116
COLUMN 家庭用燃料电池与电力系统联合运转 118
第4章 燃料电池在汽车中的应用
057 燃料电池汽车(FCV)是什么样的汽车 120
058 燃料电池汽车用什么燃料 122
059 汽车上搭载高压氢气的方法 124
060 液体氢气储藏和储氢合金储藏中存在的问题 126
067 给燃料电池汽车提供氢气的氢气加气站 128
062 对燃料电池汽车中使用的氢气有什么要求 130
063 氢气加气站的系统组成 132
064 燃料电池汽车环境性能与效率的评价方法 134
065 氢气危险关于燃料电池汽车安全性能的考虑 136
066 燃料电池汽车的历史与发展的轨迹 138
067 燃料电池汽车普及需要克服的难题 140
068 除汽车之外移动体上也考虑使用燃料电池 142
069 想象未来的汽车 144
COLUMN 汽车用燃料电池是小型固体高分子型燃料电池 146
第5章 支持信息化社会的便携式设备用电源
070 固体高分子型燃料电池与甲醇燃料电池性能的差异 148
077 什么是甲醇渗透现象 150
072 改善甲醇燃料电池性能的尝试 152
073 能够抑制甲醇渗透现象的新型电解质膜实例 154
074 作为移动终端电源的甲醇燃料电池系统的结构 156
075 如何选择主动型和被动型甲醇燃料电池 158
076 用于移动信息终端的固体高分子型燃料电池目前正在试制阶段 160
077 用于移动信息终端的甲醇燃料电池的开发历史 162
078 甲醇燃料电池广泛普及所需要解决的问题 164
COLUMN 甲醇燃料电池不需要改质器 166
第6章 研究企业用燃料电池
079 企业用燃料电池有什么用途 168
080 企业用燃料电池市场中开始兴起的磷酸型燃料电池 170
087 磷酸型燃料电池开发与市场开拓的历史 172
082 食品废弃物和生垃圾是有效的能量资源 174
083 用生垃圾发电的燃料电池 176
084 用于废弃物系生物质能源利用的熔融碳酸盐型燃料电池 178
085 被称为第三代燃料电池的固体氧化物型燃料电池 180
086 适用于高温型燃料电池的燃料范围较为广泛 182
087 组合高温型燃料电池与燃气轮机发电的高效率发电方式 184
COLUMN 各种企业用燃料电池闪亮登场 186
第7章 智能化能源网络与氢气能源社会
088 氢气能源社会印象 188
089 氢气是什么 190
090 想象不久将来的生态生活 192
COLUMN 智能能源网络与氢气能源系统 194
参考文献 195
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第1章 什么是燃料电池
　　燃料电池是将天然气等普通燃料的化学能通过电化学反应转变成电能的装置。燃料电池的反应与水的电解反应互为可逆反应。燃料电池是通过氢气和氧气（空气）的反应来产生电能的。本章将简单介绍燃料电池的工作原理。
　　001 燃料电池反应与水的电解反应互为逆反应，燃料电池通过氢气和空气的反应产生电能
　　由于燃料电池的名字中带有电池二字，也许有人会理所当然地把它想象成像干电池和充电电池一样能够储存电能的设备，但是事实上燃料电池并不能储存电能。由于燃料电池是一种发电设备，与其说燃料电池是汽车用铅蓄电池和移动终端等设备用锂离子电池的同类，还不如说燃料电池更接近于内燃发电机以及构造不同的小规模火力发电厂。
　　本书在以后的章节中会详细地介绍燃料电池的工作原理，鉴于其基本反应与中学里学过的水的电解反应互为逆反应，应该比较容易理解。作为理解燃料电池的构造和工作原理的前期准备，这里先简单说明一下水的电解现象之外的其他内容。
　　水的电解反应是按如下所示的化学反应进行的，是水电解产生氢气和氧气的反应。首先，在电解槽容器中装满硫酸溶液和氢氧化钠溶液。在硫酸溶液的情况下，这种液体由带有正电荷的氢离子(H+)和带有负电荷的硫酸根离子(SO42-)组成，因此这种液体被称为电解液。从这种液体外部通入电流（施加电场）时，正离子和负离子分别向电荷相反的电极移动从而形成电流。也就是说，电解液是通过离子的移动传导电能的离子导电体。
　　电解反应如图1所示，将两枚连有铂金(Pt)板的导电体支持棒按一定间隔插入电解槽中。接着将一边连有铂金板的支持棒接到电源的正极(+)，将另一边的支持棒接到电源的负极（一）时，从与正极连接的白金板上产生氧气，从与负极连接的白金板上产生氢气。
　　要点
　　燃料电池是一种发电装置
　　电解液由正离子和负离子组成
　　图1 水的电解反应的相关概念
　　图2 水的电解反应与燃料电池反应互为逆反应
　　002 燃料电池的反应是指从燃料直接产生电能的电化学反应
　　虽说燃料电池可以定义为内燃发电机或者火力发电机的一种，但它们之间还是有区别的。其中*大的区别在于，燃料电池能将燃料的化学能通过电化学的反应过程转化成电能（电力），与此不同的是，火力发电则是经过图1左侧所示的若干步骤产生电能。
　　那么，这个电化学反应是个什么样的过程呢？根据化学教科书，电化学的定义为“研究化学反应能与电能的关系以及相互转化等的知识领域”。这里所说的电化学的转化可以解释为“根据电化学反应将化学能直接转变为电能的过程”。由于燃料电池的这个特征，燃料电池的反应也可以被称为直接转化。
　　天然气、石油、煤炭等化石燃料和木炭等生物资源通过燃烧（氧化反应）能够将化学能转化成热能。热能具有加热物质的能力，比如水进行加热之后温度升高变成水蒸气，再进一步加热时能够产生高压水蒸气。蒸汽涡轮机的作用正是将这种水蒸气的压力转化成转动的运动能。于是，将发电机连接到蒸汽涡轮机的主轴上，就能够产生电能。这就是蒸汽式涡轮机火力发电的过程。
　　另外，内燃发电机将汽油等液体燃料气化为气体状态，然后与空气进行混合送入气缸，燃烧这种混合气体时产生的膨胀力使活塞产生往复运逐旋转运动进行发电。
　　要点
　　燃料电池是将化学能直接转变成电能的装置
　　电化学反应能够将化学能与电能相互转化
　　图1 燃料电池与传统的发电方式的比较（能量转变过程）
　　图2 蒸汽涡轮机发电系统的基本构成
　　003 由于自然界中不存在氢气，一般通过化石燃料的改质过程得到氢气
　　在(001)中，燃料电池被定义为“与电解反应互逆，使用氢气和空气产生电能的装置”。氢气作为一种清洁燃料，不仅在燃料电池中，即使是在传统的热电装置中燃烧，也不会排放二氧化碳、硫的氧化物和黑烟等对环境有害的物质。但是由于自然界中氢气不以单质的形式存在，有必要通过人工手段生产氢气。一般来说，可以利用改质反应从天然气、丙烷气和煤油等化石燃料得到氢气。
　　通过改质反应生产氢气时会产生二氧化碳气体。举例来说，以天然气为原料生产氢气时，每产生4mol氢气，与其对应产生1mol二氧化碳。换句话说，不能因为使用的是氢气燃料，就称其为清洁的发电方式。
　　那么，有没有不排放或者几乎不排放二氧化碳的条件下，得到氢气的方法呢？
　　较为常见的方法是利用太阳能发电和风力发电等可再生能源进行水的电解反应。但是，如果设定燃料电池的发电效率为40%～50%，那么经过“电→氢气→电”循环之后将会损失掉一半左右的能量。利用可再生能源生产氢气的方法中还包括使用生物质产生氢气和利用食品废弃物和污泥发酵产生甲烷，再通过改质得到氢气的方法等。除此之外，将来有可能利用高温核反应堆（原子力）制造氡气，目前该技术正在研究阶段。
　　根据现实的情况从制造氢氧化钠的食盐电解工业等生产工程中能够得到副产品氢气。食盐电解工业、石油炼制和炼铁工业过程中，能够产生大量的氢气副产品。
　　要点
　　通过天然气和丙烷气体的改质反应能够得到氢气
　　目前正在研究从可再生能源和高温核反应堆中得到氢气的方法
内容介绍
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