本书论述了燃料电池的基本原理、结构、性能、关键材料、发展现状以及在军事、航天航空、民用等领域的应用。全书共13章，内容包括燃料电池概述、燃料电池热力学和动力学、质子交换膜燃料电池、直接甲醇燃料电池、碱性燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池、金属半燃料电池、直接碳燃料电池、直接硼氢化物燃料电池、生物燃料电池和氢燃料的制备及储存。
本书内容全面系统，概念清楚、文字简练、图文并茂，可作为高等院校相关专业的高年级本科生和研究生的教材或教学参考书，也可供从事燃料电池研发的科技工作者参阅。
近年来随着能源短缺和环境恶化日益严重，燃料电池作为一种高效洁净的发电装置，其技术的发展引起了各国政府、企业、科研机构及高等院校的高度重视。燃料电池被看做是继火力发电、水力发电与核电之后的第四种发电方式。燃料电池技术被认为是21世纪首选的洁净高效的发电技术，美国把燃料电池列为仅次于基因重组计划和超级材料之后的第三项尖端技术。燃料电池技术的研发近年来取得了长足的进步，小到几瓦大到兆瓦级的燃料电池系统相继研究成功，并应用于发电站、交通运输工具和便携式电子设备等。另外，航天航空器、水潜艇和水下机器人等高科技领域也可看到燃料电池应用的例子，以氢为燃料的零排放燃料电池汽车更是人类追求的理想交通工具。燃料电池还特别适于建设分电站，可以解决目前集中式电网输电出现故障或遭到破坏时造成大面积瘫痪的问题。这一点对国防安全和反恐是十分重要的。
燃料电池的进一步发展需要更多年轻科技工作者的参与。因此，高等院校有必要设置有关燃料电池的课程，开展系统的教育，培养相关的研究人才。本书将面向高年级大学生和研究生教育，可作为教材或教学参考书，也可供从事燃料电池研发的科技工作者参阅。目前，燃料电池技术仍处于发展阶段，相关知识在不断更新。近年来现出了一些新型燃料电池，有关这方面内容的书籍较少，让学生们了解这些最新的发展是本书的编写出发点之一。
本书分为四个部分，共13章。第一部分（第1~2章）介绍了燃料电池的基本原理及其热力学和动力学知识；第二部分（第3~8章）分别针对目前常见的6种类型的燃料电池进行了系统的阐述，重点在电池的结构、关键材料及其发展现状与应用情况；第三部分（第9~12章）介绍了4种特殊类型的、目前处于活跃研究阶段的燃料电池，包括金属半燃料电池、直接碳然料电池、直接硼氢化物燃料电池和生物燃料电池；第四部分（第13章）讨论了作为燃料电池燃料的氢气的制备及储存。另外，每章后附有问题与讨论，可用于检查对本章知识的学习掌握情况。
本书的编写力求严谨、规范，叙述力求准确、精炼，内容力求系统、全面，使用的资料力求新颖。在阐述燃料电池的电化学原理和关键材料的基础
上，也介绍了燃料电池技术的一些最新成果。
本书由曹殿学编写了第1、第2、第9和第10章；王贵领编写了第7、第8（其中8.2.6和8.6由赵辉编写）和第11章；吕艳卓编写了第3~6章；温青编写了第12章；张森编写了第13章。全书由曹殿学统稿。
本书在编写过程中得到了中国科学院长春应用化学研究所陆天虹研究员和黑龙江大学赵辉教授的大力帮助，陆天虹研究员为直接甲醇燃料电池一章的编写提供了很多资料，赵辉教授对固体氧化物燃料电池一章做出了很多修改和补充。二人仔细审阅了全书并提出了宝贵意见。编者还参考了国内外有关燃料电池的著作和大量研究论文，在此一并表示衷心感谢。
由于编著者学识和能力有限，书中疏漏和错误之处，敬请读者批评指正，编著者表示由衷感谢。
第1章 燃料电池概述1
1.1 燃料电池的历史回顾1
1.1.1 燃料电池的定义1
1.1.2 燃料电池的诞生及发展历程简介2
1.2 燃料电池基础6
1.2.1 燃料电池的工作原理6
1.2.2 燃料电池的特点8
1.2.3 燃料电池的种类9
1.3 燃料电池系统16
1.3.1 燃料电池堆16
1.3.2 热管理系统18
1.3.3 电力调节和转换系统18
1.3.4 控制系统19
1.4 燃料电池的应用20
1.4.1 固定发电站21
1.4.2 运输工具动力25
1.4.3 便携式电源29
1.5 能源、环境与燃料电池31
1.5.1 能源的概况31
1.5.2 化石能源的短缺和环境污染问题32
1.5.3 氢能与燃料电池33
问题与讨论34
第2章 燃料电池的热力学和动力学35
2.1 燃料电池的热力学35
2.1.1 理论效率的计算35
2.1.2 电池电动势与温度的关系38
2.1.3 电池电动势与压力的关系39
2.2 电极过程动力学41
2.2.1 极化与过电势42
2.2.2 活化过电势43
2.2.3 浓差过电势46
2.2.4 欧姆过电势48
2.2.5 燃料电池的极化曲线48
2.3 燃料电池效率50
2.3.1 燃料电池的实际效率50
2.3.2 燃料电池系统的实际效率51
问题与讨论52
第3章 质子交换膜燃料电池54
3.1 发展简史54
3.2 工作原理59
3.3 特点61
3.4 膜电极组件61
3.5 电极催化剂62
3.5.1 对催化剂的要求62
3.5.2 催化剂的选择63
3.5.3 催化剂的制备65
3.5.4 催化剂的结构和表征67
3.6 电极的结构68
3.6.1 电极的种类、组成和制备方法68
3.6.2 扩散层68
3.6.3 催化层的制备72
3.7 质子交换膜77
3.7.1 质子交换膜的功能77
3.7.2 Nafion膜的性能78
3.7.3 Nafion膜的问题80
3.7.4 Nafion膜的改进80
3.8 双极板和流场84
3.8.1 双极板的功能和要求85
3.8.2 双极板的材料86
3.8.3 流场98
3.9 电池组系统100
3.9.1 氢源100
3.9.2 氧源101
3.9.3 电池组的水管理101
3.9.4 电池组的热管理102
3.10 PEMFC商业化的问题103
问题与讨论104
第4章 直接醇类燃料电池106
4.1 直接醇类燃料电池的基本概念106
4.1.1 工作原理106
4.1.2 基本结构107
4.1.3 优点110
4.2 直接甲醇燃料电池的研发概况111
4.2.1 受到重视的原因111
4.2.2 发展概况111
4.3 直接甲醇燃料电池性能的改进114
4.3.1 阳极催化剂性能的改进114
4.3.2 阴极催化剂性能的改进127
4.3.3 质子交换膜140
4.4 甲醇替代燃料的研究141
4.4.1 研究甲醇替代燃料的原因141
4.4.2 直接甲酸燃料电池142
4.4.3 直接乙醇燃料电池144
4.5 直接醇类燃料电池的商业化前景147
问题与讨论148
第5章 碱性燃料电池149
5.1 工作原理149
5.2 优缺点151
5.2.1 优点151
5.2.2 缺点152
5.3 基本结构152
5.3.1 燃料和氧化剂152
5.3.2 电极153
5.3.3 催化剂中毒的原因及预防办法163
5.3.4 电极结构及制备165
5.4 电解质168
5.4.1 电解质材料168
5.4.2 电解质使用方法168
5.5 工作条件172
5.5.1 工作压力172
5.5.2 工作温度172
5.5.3 氧化剂的影响173
5.5.4 排水173
5.5.5 排热174
5.5.6 电池寿命174
5.6 研发和应用概况174
5.6.1 空间应用领域174
5.6.2 地面应用领域175
问题与讨论177
第6章 磷酸燃料电池178
6.1 工作原理178
6.2 基本结构180
6.2.1 电池系统180
6.2.2 单体电池181
6.3 工作条件对其性能的影响191
6.3.1 工作温度的影响191
6.3.2 反应气压力的影响193
6.3.3 燃料气中杂质的影响194
6.3.4 影响寿命的因素及改进方法198
6.4 发展概况199
6.4.1 发展原因199
6.4.2 磷酸燃料电池电站的发展概况199
6.4.3 电动车用磷酸燃料电池的发展概况200
6.5 商业化的展望200
6.5.1 降低成本200
6.5.2 提高使用寿命202
6.5.3 缩短启动时间202
6.5.4 提高催化剂性能202
问题与讨论203
第7章 熔融碳酸盐燃料电池204
7.1 熔融碳酸盐燃料电池的工作原理205
7.2 熔融碳酸盐燃料电池的隔膜材料206
7.2.1 隔膜材料的性能206
7.2.2 隔膜材料的制备208
7.2.3 熔融碳酸盐燃料电池的电解质208
7.3熔融碳酸盐燃料电池的电极材料209
7.3.1 阳极材料209
7.3.2 阴极材料210
7.4 熔融碳酸盐燃料电池的结构212
7.5 操作条件对熔融碳酸盐燃料电池性能的影响215
7.5.1 压力的影响216
7.5.2 温度的影响216
7.5.3 反应气体组成及利用率对电池性能的影响218
7.5.4 燃料中杂质的影响219
7.5.5 电流密度和运行时间的影响220
7.6 熔融碳酸盐燃料电池的应用与发展现状221
7.6.1 熔融碳酸盐燃料电池的应用221
7.6.2 熔融碳酸盐燃料电池的发展现状221
7.6.3 熔融碳酸盐燃料电池商业化的障碍224
问题与讨论224
第8章 固体氧化物燃料电池225
8.1 固体氧化物燃料电池的工作原理226
8.2 固体氧化物燃料电池的电解质材料229
8.2.1 氧化锆基(ZrO2)电解质230
8.2.2 氧化铈基(CeO2)电解质234
8.2.3 氧化铋基(Bi2O3)电解质236
8.2.4 钙钛矿基(LaGaO3)电解质239
8.2.5 六方磷灰石基\[M10(TO4)6O2\]电解质241
8.2.6 钙铁石结构(A2B2O5)电解质244
8.2.7 质子传导电解质247
8.3 固体氧化物燃料电池的电极材料250
8.3.1 阳极材料250
8.3.2 阴极材料254
8.4 连接材料和密封材料259
8.4.1 连接材料259
8.4.2 密封材料260
8.5 固体氧化物燃料电池的结构与组成261
8.5.1 管式结构SOFC262
8.5.2 平板式结构SOFC263
8.6 单室固体氧化物燃料电池264
8.6.1 单室固体氧化物燃料电池的特点265
8.6.2 单室固体氧化物燃料电池的结构与组成265
8.6.3 单室固体氧化物燃料电池的工作原理265
8.6.4 单室固体氧化物燃料电池的研究现状266
8.7 固体氧化物燃料电池的发展现状与应用270
8.7.1 固体氧化物燃料电池的发展现状270
8.7.2 固体氧化物燃料电池的应用272
问题与讨论273
第9章 金属半燃料电池274
9.1 概述274
9.1.1 金属半燃料电池的工作原理274
9.1.2 金属半燃料电池的特点275
9.1.3 金属半燃料电池的分类276
9.1.4 金属半燃料电池的应用277
9.2 金属半燃料电池阳极材料278
9.2.1 锌阳极278
9.2.2 铝阳极281
9.2.3 镁阳极284
9.3 金属半燃料电池的结构与性能287
9.3.1 金属空气半燃料电池287
9.3.2 金属过氧化氢半燃料电池293
9.3.3 金属海水中溶解氧半燃料电池301
问题与讨论304
第10章 直接碳燃料电池305
10.1 直接碳燃料电池的工作原理与电池结构305
10.2 直接碳燃料电池的特点306
10.3 碳的直接电化学氧化反应308
10.3.1 碳电化学氧化反应机理308
10.3.2 碳电化学氧化产物309
10.4 直接碳燃料电池的历史沿革313
10.5 直接碳燃料电池的研究现状314
10.5.1 以熔融碳酸盐为电解质直接碳燃料电池314
10.5.2 以熔融碱金属氢氧化物为电解质的直接碳燃料电池316
10.5.3 以固体氧化物为电解质的直接碳燃料电池318
10.5.4 采用固体氧化物和熔融碳酸盐双重电解质的杂化型直接碳燃料电池320
10.6 直接碳燃料电池的问题与展望321
问题与讨论323
第11章 直接硼氢化物燃料电池324
11.1 直接硼氢化物燃料电池的原理325
11.2 直接硼氢化物燃料电池的阳极催化剂328
11.2.1 硼氢化物的电氧化与水解328
11.2.2 金属催化剂330
11.2.3 储氢合金催化剂331
11.3 直接硼氢化物燃料电池的阴极催化剂332
11.4 直接硼氢化物燃料电池的结构333
11.5 直接硼氢化物燃料电池的应用与发展现状336
11.5.1 直接硼氢化物燃料电池的应用336
11.5.2 直接硼氢化物燃料电池与其他直接液体燃料电池的比较337
11.5.3 直接硼氢化物燃料电池的发展现状338
11.5.4 直接硼氢化物燃料电池面临的问题342
问题与讨论342
第12章 生物燃料电池343
12.1 生物燃料电池的概述343
12.1.1 生物燃料电池的工作原理343
12.1.2 生物燃料电池的特点343
12.1.3 生物燃料电池的分类344
12.2 微生物燃料电池345
12.2.1 微生物燃料电池的工作原理345
12.2.2 电子的传递方式346
12.2.3 产电微生物348
12.2.4 微生物燃料电池的电极349
12.2.5 阴极电子受体和催化剂350
12.2.6 隔膜和阳极燃料351
12.2.7 微生物燃料电池的结构352
12.2.8 影响微生物燃料电池性能的因素353
12.3 酶生物燃料电池355
12.3.1 酶的类型和电子传递方式355
12.3.2 酶生物燃料电池的类型355
12.4 生物燃料电池的发展与应用359
12.4.1 生物燃料电池的发展359
12.4.2 生物燃料电池的应用前景359
问题与讨论362
第13章 氢气的制备及储存363
13.1 氢气的制备363
13.1.1 水蒸气重整制氢363
13.1.2 不完全氧化制氢365
13.1.3 等离子体热裂解制氢366
13.1.4 煤气化制氢367
13.1.5 甲醇制氢368
13.1.6 电解水制氢369
13.1.7 热化学循环分解水制氢370
13.1.8 光催化分解水制氢371
13.1.9 生物制氢372
13.1.10 氢气的提纯373
13.2 氢气的储存374
13.2.1 气态存储375
13.2.2 液态存储376
13.2.3 可逆金属氢化物存储377
13.2.4 物理吸附储氢385
13.2.5 化合物存储386
问题与讨论388
参考文献390
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