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目錄
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第1章 什麼是燃料電池
001 燃料電池反應與水的電解反應互為逆反應，燃料電池通過氫氣和空氣的反應産生電能 002
002 燃料電池的反應是指從燃料直接産生電能的電化學反應 004
003 由於自然界中不存在氫氣，一般通過化石燃料的改質過程得到氫氣 006
004 燃料電池在低溫操作和規模小的情況下也能實現較高的發電效率 008
005 作為發電單位的單電池由電極、電解質、分離器和外部迴路組成 010
006 可根據吉布斯自由能的減少量計算電池的電能與電壓 012
007 求燃料電池的發電效率時用熱力學能量函數 014
008 電流取決於電極的反應速率 016
009 增加電流時，電極間的電壓下降 018
010 電極上形成接觸氣體分子、催化劑、電解質的三相界麵 020
011 單電池的電壓為1V左右，層疊之後就能實現高電壓 022
012 組成燃料電池的係統中有些組成部分是必不可少的 024
013 用化石燃料製備氫氣的燃料處理裝置的改質過程 026
014 驗證實驗終有結果 傢用燃料電池係統迎來商業化應用 028
015 世界上第*個燃料電池是威廉格魯夫的水電解實驗裝置 030
016 以地麵利用為目標的燃料電池的開發軌跡 032
017 根據電解質的種類對燃料電池進行分類 034
018 高輸齣低價格的堿型燃料電池在宇宙開發和人造衛星中的應用 036
019 磷酸型燃料電池在中容量熱電聯産電廠中的應用 038
020 低溫型燃料電池和高溫型燃料電池各有韆鞦 040
021 熔融碳酸鹽型燃料電池的工作原理及其特徵 042
022 固體氧化物型燃料電池由陶瓷構造體構成 044
023 固體氧化物型燃料電池中，天然氣也能作為燃料直接使用 046
024 固體氧化物型燃料電池的圓筒形構造能夠保持強度，不容易損壞 048
025 固體高分子型燃料電池中，水的恰當管理非常重要 050
026 甲醇燃料電池中甲醇可直接發生反應，可用於便攜式設備電源 052
027 肼燃料電池曆史悠久，*近由於其零碳排放引起人們的關注 054
COLUMN 燃料電池單電池的工作 056
第2章 燃料電池與充電電池的不同之處
028 燃料電池具有發電功能，充電電池能夠儲存電能 058
029 充放電時的電極反應與活性物質的變化 060
030 隻有離子能通過充電電池電解質中的隔膜 062
031 追蹤丹尼爾電池的電化學反應過程 064
032 鉛蓄電池的放電反應中二氧化鉛和鉛反應生成硫酸鉛和水 066
033 充電是把放電後的活性物質通過電解反應變迴原來物質的過程 068
034 錶示充電電池性能與特性的獨特評價指標 070
035 從反應式計算理論能量密度 072
036 現實中，電池的能量密度低於理論能量密度 074
037 鎳氫電池的充放電反應與充電電池的發展曆程 076
038 電動汽車開發中受到關注的鋰離子電池 078
039 鋰的特性與鋰係電池 080
040 鋰離子電池的充放電過程及其特徵 082
041 鋰離子電池引起的起火事故與安全對策 084
042 支持智能電網（第二代電力網）的大容量蓄電池 086
043 在外部儲藏全部活性物質的氧化還原液流電池 088
COLUMN 燃料電池和充電電池的基本原理都是氧化還原反應 090
第3章 生活中廣泛應用的傢庭用燃料電池
044 傢庭用燃料電池的普及推廣是對抗全電化的錶現 092
045 選擇固體高分子型燃料電池是從産學研結閤項目獲得的成績 094
046 燃料電池發電嚮基礎電力供應的方嚮發展 096
047 從電力與熱能需求量的比例齣發，設定額定輸齣功率為1kW 098
048 鼕夏季電力需求高，夏季熱能需求低 100
049 傢庭用燃料電池的物質、熱能、電的流動 102
050 追蹤係統內空氣與水的流動 104
057 追蹤熱能的流動 排熱迴收係統的作用 106
052 傢庭用燃料電池以安全、安心和經久耐用為先決條件 108
053 傢庭用燃料電池的進化 110
054 中溫工作型燃料電池的開發實例 112
055 傢用固體氧化物型燃料電池的優點 114
056 傢庭用固體氧化物型燃料電池中存在的問題 116
COLUMN 傢庭用燃料電池與電力係統聯閤運轉 118
第4章 燃料電池在汽車中的應用
057 燃料電池汽車(FCV)是什麼樣的汽車 120
058 燃料電池汽車用什麼燃料 122
059 汽車上搭載高壓氫氣的方法 124
060 液體氫氣儲藏和儲氫閤金儲藏中存在的問題 126
067 給燃料電池汽車提供氫氣的氫氣加氣站 128
062 對燃料電池汽車中使用的氫氣有什麼要求 130
063 氫氣加氣站的係統組成 132
064 燃料電池汽車環境性能與效率的評價方法 134
065 氫氣危險關於燃料電池汽車安全性能的考慮 136
066 燃料電池汽車的曆史與發展的軌跡 138
067 燃料電池汽車普及需要剋服的難題 140
068 除汽車之外移動體上也考慮使用燃料電池 142
069 想象未來的汽車 144
COLUMN 汽車用燃料電池是小型固體高分子型燃料電池 146
第5章 支持信息化社會的便攜式設備用電源
070 固體高分子型燃料電池與甲醇燃料電池性能的差異 148
077 什麼是甲醇滲透現象 150
072 改善甲醇燃料電池性能的嘗試 152
073 能夠抑製甲醇滲透現象的新型電解質膜實例 154
074 作為移動終端電源的甲醇燃料電池係統的結構 156
075 如何選擇主動型和被動型甲醇燃料電池 158
076 用於移動信息終端的固體高分子型燃料電池目前正在試製階段 160
077 用於移動信息終端的甲醇燃料電池的開發曆史 162
078 甲醇燃料電池廣泛普及所需要解決的問題 164
COLUMN 甲醇燃料電池不需要改質器 166
第6章 研究企業用燃料電池
079 企業用燃料電池有什麼用途 168
080 企業用燃料電池市場中開始興起的磷酸型燃料電池 170
087 磷酸型燃料電池開發與市場開拓的曆史 172
082 食品廢棄物和生垃圾是有效的能量資源 174
083 用生垃圾發電的燃料電池 176
084 用於廢棄物係生物質能源利用的熔融碳酸鹽型燃料電池 178
085 被稱為第三代燃料電池的固體氧化物型燃料電池 180
086 適用於高溫型燃料電池的燃料範圍較為廣泛 182
087 組閤高溫型燃料電池與燃氣輪機發電的高效率發電方式 184
COLUMN 各種企業用燃料電池閃亮登場 186
第7章 智能化能源網絡與氫氣能源社會
088 氫氣能源社會印象 188
089 氫氣是什麼 190
090 想象不久將來的生態生活 192
COLUMN 智能能源網絡與氫氣能源係統 194
參考文獻 195
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第1章 什麼是燃料電池
　　燃料電池是將天然氣等普通燃料的化學能通過電化學反應轉變成電能的裝置。燃料電池的反應與水的電解反應互為可逆反應。燃料電池是通過氫氣和氧氣（空氣）的反應來産生電能的。本章將簡單介紹燃料電池的工作原理。
　　001 燃料電池反應與水的電解反應互為逆反應，燃料電池通過氫氣和空氣的反應産生電能
　　由於燃料電池的名字中帶有電池二字，也許有人會理所當然地把它想象成像乾電池和充電電池一樣能夠儲存電能的設備，但是事實上燃料電池並不能儲存電能。由於燃料電池是一種發電設備，與其說燃料電池是汽車用鉛蓄電池和移動終端等設備用鋰離子電池的同類，還不如說燃料電池更接近於內燃發電機以及構造不同的小規模火力發電廠。
　　本書在以後的章節中會詳細地介紹燃料電池的工作原理，鑒於其基本反應與中學裏學過的水的電解反應互為逆反應，應該比較容易理解。作為理解燃料電池的構造和工作原理的前期準備，這裏先簡單說明一下水的電解現象之外的其他內容。
　　水的電解反應是按如下所示的化學反應進行的，是水電解産生氫氣和氧氣的反應。首先，在電解槽容器中裝滿硫酸溶液和氫氧化鈉溶液。在硫酸溶液的情況下，這種液體由帶有正電荷的氫離子(H+)和帶有負電荷的硫酸根離子(SO42-)組成，因此這種液體被稱為電解液。從這種液體外部通入電流（施加電場）時，正離子和負離子分彆嚮電荷相反的電極移動從而形成電流。也就是說，電解液是通過離子的移動傳導電能的離子導電體。
　　電解反應如圖1所示，將兩枚連有鉑金(Pt)闆的導電體支持棒按一定間隔插入電解槽中。接著將一邊連有鉑金闆的支持棒接到電源的正極(+)，將另一邊的支持棒接到電源的負極（一）時，從與正極連接的白金闆上産生氧氣，從與負極連接的白金闆上産生氫氣。
　　要點
　　燃料電池是一種發電裝置
　　電解液由正離子和負離子組成
　　圖1 水的電解反應的相關概念
　　圖2 水的電解反應與燃料電池反應互為逆反應
　　002 燃料電池的反應是指從燃料直接産生電能的電化學反應
　　雖說燃料電池可以定義為內燃發電機或者火力發電機的一種，但它們之間還是有區彆的。其中*大的區彆在於，燃料電池能將燃料的化學能通過電化學的反應過程轉化成電能（電力），與此不同的是，火力發電則是經過圖1左側所示的若乾步驟産生電能。
　　那麼，這個電化學反應是個什麼樣的過程呢？根據化學教科書，電化學的定義為“研究化學反應能與電能的關係以及相互轉化等的知識領域”。這裏所說的電化學的轉化可以解釋為“根據電化學反應將化學能直接轉變為電能的過程”。由於燃料電池的這個特徵，燃料電池的反應也可以被稱為直接轉化。
　　天然氣、石油、煤炭等化石燃料和木炭等生物資源通過燃燒（氧化反應）能夠將化學能轉化成熱能。熱能具有加熱物質的能力，比如水進行加熱之後溫度升高變成水蒸氣，再進一步加熱時能夠産生高壓水蒸氣。蒸汽渦輪機的作用正是將這種水蒸氣的壓力轉化成轉動的運動能。於是，將發電機連接到蒸汽渦輪機的主軸上，就能夠産生電能。這就是蒸汽式渦輪機火力發電的過程。
　　另外，內燃發電機將汽油等液體燃料氣化為氣體狀態，然後與空氣進行混閤送入氣缸，燃燒這種混閤氣體時産生的膨脹力使活塞産生往復運逐鏇轉運動進行發電。
　　要點
　　燃料電池是將化學能直接轉變成電能的裝置
　　電化學反應能夠將化學能與電能相互轉化
　　圖1 燃料電池與傳統的發電方式的比較（能量轉變過程）
　　圖2 蒸汽渦輪機發電係統的基本構成
　　003 由於自然界中不存在氫氣，一般通過化石燃料的改質過程得到氫氣
　　在(001)中，燃料電池被定義為“與電解反應互逆，使用氫氣和空氣産生電能的裝置”。氫氣作為一種清潔燃料，不僅在燃料電池中，即使是在傳統的熱電裝置中燃燒，也不會排放二氧化碳、硫的氧化物和黑煙等對環境有害的物質。但是由於自然界中氫氣不以單質的形式存在，有必要通過人工手段生産氫氣。一般來說，可以利用改質反應從天然氣、丙烷氣和煤油等化石燃料得到氫氣。
　　通過改質反應生産氫氣時會産生二氧化碳氣體。舉例來說，以天然氣為原料生産氫氣時，每産生4mol氫氣，與其對應産生1mol二氧化碳。換句話說，不能因為使用的是氫氣燃料，就稱其為清潔的發電方式。
　　那麼，有沒有不排放或者幾乎不排放二氧化碳的條件下，得到氫氣的方法呢？
　　較為常見的方法是利用太陽能發電和風力發電等可再生能源進行水的電解反應。但是，如果設定燃料電池的發電效率為40%～50%，那麼經過“電→氫氣→電”循環之後將會損失掉一半左右的能量。利用可再生能源生産氫氣的方法中還包括使用生物質産生氫氣和利用食品廢棄物和汙泥發酵産生甲烷，再通過改質得到氫氣的方法等。除此之外，將來有可能利用高溫核反應堆（原子力）製造氡氣，目前該技術正在研究階段。
　　根據現實的情況從製造氫氧化鈉的食鹽電解工業等生産工程中能夠得到副産品氫氣。食鹽電解工業、石油煉製和煉鐵工業過程中，能夠産生大量的氫氣副産品。
　　要點
　　通過天然氣和丙烷氣體的改質反應能夠得到氫氣
　　目前正在研究從可再生能源和高溫核反應堆中得到氫氣的方法
內容介紹
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　　燃料電池，一個我們既熟悉又陌生的新事物。使用它，就可以通過氫氣和氧氣高效率地獲得電能。本書主要以燃料電池為中心，探討瞭燃料電池的原理、特徵，燃料電池與其他電池的區彆，燃料電池的種類、應用領域，以及燃料電池發展史和開發動嚮等。
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