PEM燃料电池：理论与实践（原书第2版） 下载 pdf 百度网盘 epub 免费 2025 电子版 mobi 在线

本书主要介绍了质子交换膜（PEM）燃料电池的原理、设计及实际应用等内容。全书内容共计12章，其中第1章概述了燃料电池的特点及发展历程；第2章和第3章分别介绍了燃料电池的化学、热动力学及电化学的相关内容；第4章分析了燃料电池的主要部件及其特性；第5章和第6章分别讨论了燃料电池的工作条件及其电池组的设计；第7~9章则讲述了电池的建模、故障诊断及系统设计；第10章对燃料电池的应用进行了总结；第11章讨论了燃料电池实际应用中的一个重要问题——电池耐久性；第12章则对燃料电池的未来进行了展望。书中很多章的末尾还辅以问题和测验，有助于读者掌握各章相关内容。

译者序原书序原书第2版前言原书第1版前言和致谢第1章绪论1.1什么是燃料电池1.2燃料电池简史1.3燃料电池的类型1.4PEM燃料电池如何工作1.5为何需要燃料电池1.6燃料电池的应用参考文献第2章燃料电池化学和热力学基础2.1基本反应2.2反应热2.3氢的高热值和低热值2.4理论电功2.5燃料电池的理论电势2.6温度效应2.7燃料电池的理论效率2.8卡诺效率的神话2.9压力效应2.10小结问题测验参考文献第3章燃料电池的电化学3.1电极反应动力学3.1.1反应速率3.1.2反应常数:转移系数3.1.3电流与电位的关系：巴特勒沃尔默方程3.1.4交换电流密度3.2电压损耗3.2.1活化极化3.2.2内部电流和渗透损耗3.2.3电阻（欧姆）损耗3.2.4浓度极化3.3电池电势：极化曲线3.4燃料电池的电势分布3.5极化曲线的参数灵敏度3.5.1转移系数/塔菲尔斜率的影响3.5.2交换电流密度的影响3.5.3氢渗透和内部电流损耗的影响3.5.4内阻的影响3.5.5极限电流密度的影响3.5.6工作压力的影响3.5.7空气与氧气对比3.5.8工作温度的影响3.6燃料电池效率3.7燃料电池极化曲线的含义和用途3.7.1由极化曲线得到的其他曲线3.7.2极化曲线的线性近似3.7.3利用极化曲线改变燃料电池的尺寸问题测验参考文献第4章电池主要部件、材料特性和过程4.1电池描述4.2膜4.2.1吸水性4.2.2物理特性4.2.3质子电导率4.2.4水传输4.2.5气体渗透4.2.6高温膜4.3电极4.4气体扩散层4.4.1处理和涂层4.4.2孔隙度4.4.3电导率4.4.4可压缩性4.4.5渗透性4.5双极板4.5.1材料4.5.2特性问题测验参考文献第5章燃料电池的工作条件5.1工作压力5.2工作温度5.3反应物流量5.4反应物湿度5.5燃料电池的质量平衡5.5.1入口流量5.5.2出口流量5.6燃料电池的能量平衡问题测验参考文献第6章电池组设计6.1燃料电池组的尺寸6.2电池组结构6.3反应物对各电池单元均匀分布6.4反应物在电池单元内部均匀分布6.4.1流场形状6.4.2流场朝向6.4.3通道结构6.4.4通道形状、尺寸和间距6.4.5流场压降6.5燃料电池组散热6.5.1电池组的热平衡6.5.2热传导6.5.3主动散热6.5.4通过自然对流和辐射的电池组散热6.5.5电池组冷却的备选方法6.6电池组夹紧结构问题测验参考文献第7章燃料电池建模7.1理论和控制方程7.1.1质量守恒7.1.2动量守恒7.1.3能量守恒7.1.4组分守恒7.1.5电荷守恒7.2建模域7.3建模示例7.3.1通过膜的一维模型7.3.2一维催化剂层模型7.3.3二维通道上方模型7.3.4沿通道的二维模型7.3.5三维模型7.3.6通过气体扩散层模型/孔隙网络模型7.4小结问题测验参考文献第8章燃料电池故障诊断8.1电化学技术8.1.1极化曲线8.1.2电流中断8.1.3电化学阻抗光谱学8.1.4其他电化学方法8.2物理和化学方法8.2.1组分分布映射8.2.2温度分布8.2.3电流分布映射8.3小结问题测验参考文献第9章燃料电池系统设计9.1氢/氧系统9.1.1氧供应9.1.2氢供应9.1.3水/热处理：系统集成9.2氢/空气系统9.2.1空气供应9.2.2被动式空气供应9.2.3氢供应9.2.4增湿方案9.2.5水/热处理：系统集成9.3具有燃料处理器的燃料电池系统9.3.1基本过程和反应9.3.2蒸汽重组9.3.3部分氧化和自热重组9.3.4重组对燃料电池性能的影响9.3.5系统集成9.4电气子系统9.5系统效率问题测验参考文献第10章燃料电池的应用10.1交通运输应用10.1.1汽车10.1.2公共汽车10.1.3多用途汽车10.1.4摩托车和自行车10.2固定电源10.2.1固定式燃料电池系统的分类10.2.2系统结构10.2.3整个燃料电池系统的效率10.2.4燃料电池系统的经济性10.3备用电源10.4用于小型便携式电源的燃料电池10.5可再生燃料电池及其应用10.5.1折中设计10.5.2可再生燃料电池的应用问题测验参考文献第11章聚合物电解质燃料电池的耐久性11.1简介11.2本章主要内容与组织结构11.3性能损失的类型11.3.1极化变化曲线的关键极限情况11.3.2实际极化变化曲线分析11.4与不同类型的损失有关的PEFC组件11.4.1催化活性损失11.4.2欧姆损失11.4.3反应物质量传输损失11.4.4向外泄漏、反应物渗透和电气短路11.5工作条件11.5.1电势需求11.5.2温度11.5.3电解质和湿度11.6加速测试方法11.7小结和未来展望致谢参考文献第12章未来的燃料电池和氢12.1简介12.2氢燃料简史12.3氢能源技术12.3.1制氢技术12.3.2储氢技术12.3.3运输和分配技术12.3.4氢能利用技术12.3.5氢作为燃料的安全性12.4目前的全球能源系统是否可持续12.5未来预测12.6未来可持续能源系统12.7氢过渡或“负氢经济”12.8未来能源革命12.9小结参考文献

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原书第1版的出版在国际范围内具有很大的影响力，原书第2版是结合了当今的PEM燃料电池技术进行的改版，影响力继续扩大。本书将理论与实践紧密结合，不仅能用于教学，而且对实际设计和工程具有直接的应用价值。

前言

原书第2版前言《PEM燃料电池：理论与实践》写于2005年，它是我希望与年轻一代工程师和科学家分享知识的结果，我在燃料电池研究和开发前沿的经历中收获了这些知识。我学习到的燃料电池知识中的大部分是从在设计、建造、测试和评估燃料电池堆和系统以及使它们在实际应用中工作的亲身体验里搜集而得。近7年以来，我已经持续地开展了PEM燃料电池的研究与开发，但我仍只是勉强同意来准备本书的第2版，因为我担心本领域快速发展的本质将使本书非常过时。然而，在完成初的手稿过程中我意识到，尽管近的7年里燃料电池技术已经取得了巨大的进步这一点毋庸置疑，但至少本书中所涵盖的PEM燃料电池工程和工作的基础并未改变很多。这也就是说，需要增加一些新的材料、新的设计、新的诊断方法，以及根据多年来本领域经验得出的一些有价值的反馈。因此，我们已经进一步发展了对影响选择材料、结构、性能和寿命那些过程的一个更细致的理解。在认识到这个领域发展的多面性后，有关诊断的章节已经由这一特定领域的专家——来自温哥华市加拿大国家研究院燃料电池创新研究所的Haijiang Wang博士重新撰写。在认识到燃料电池的耐久性非常重要后，我决定新增加一章关于PEM燃料电池耐久性的内容，并且我邀请了另一位专业人士——来自美国康涅狄格州东哈特福德联合科技研究中心的Michael Perry博士，由他来编写这一章的内容。我借此机会向Wang博士和Perry博士宝贵的工作表示感谢。新材料尤其是膜和催化剂的进展已经在有关主要电池元件、材料特性以及过程的那些章节里进行了阐述。在关于燃料电池工作条件的章节里，我已经增加了我的同事——来自丹麦奥尔堡大学Torsten Berning关于以废气露点温度作为选择工作条件准则的观点。我也向他表示感谢。在过去的7年时间里，已经发表了大量关于燃料电池建模的文章，其涵盖了不同的领域和物理现象以及许多新的建模方法和技术。与改进的诊断技术相联系的这些模型已经更好地给出了对燃料电池工作复杂性的理解，尤其是在有关燃料电池工作中水的作用方面。本书第1版中关于燃料电池模型的章节编排如下：首先给出描述质量、动量、能量、组分和电荷守恒的基本控制方程，然后给出针对不同领域它们在建模中的应用实例，即透过膜，在通道和表面上、沿通道以及在三维空间中。在第2版相关的章节里，我决定保持同样的编排，因为它们有效地涵盖了基本原理。但是，我增加了一个关于经多孔网络模型来对气体扩散层里的水传输进行建模的实例，在解释多孔燃料电池结构里所具有的奇特水行为的那些新模型里，该模型具有代表性。第2版已经适时地更新了整本书中的图片、照片以及表格，在关于燃料电池应用的章节里尤其为甚。另增加了一些来自美国能源部的氢和燃料电池计划的表格，这些表格显示了当前各种应用的状态和技术目标。其他所有章节已经被再次编辑和校正或者根据需要进行了更新。我想要对那些在联合国工业发展组织国际氢能源科技中心，斯普利特大学（克罗地亚）电气、机械与船舶学院，以及怀俄明大学的我的学生和博士后表示感谢，他们找出的一些错误、错别字以及含糊的陈述帮助我改进了第1版的内容。我用本书作为讲授一整学期燃料电池工程课程以及难以计数的短期课程的课本。在此过程中，这些年来我已经准备了几千幅的幻灯片来与本书配套。用本书讲授燃料电池这门课程的老师可在本书的网站上获取到这些幻灯片，我建议使用这些幻灯片作为讲授内容的核心并且随燃料电池出现发展时将其加入到这些幻灯片里以增加趣味性。每一章的后提供了大量的可指派为家庭作业的问题，答案将会展示在本书网站中一个有密码保护的教师版块里。除此之外，每一章后有一些测验，我发现这些测验非常有用，不仅可以评价学生的学习进度也可以用来评价教师的教学效果。每一次测验之后，我进行统计分析以找出大多数学生未能正确回答的问题，然后我再重新回顾课程的相关内容。我希望本书第2版的出版将会增加全世界参与制造更好、更经济燃料电池的教师、学生、科学家和工程师的相互分享经验的机会。将本书献给他们所有人。后，我希望对Elsevier出版社的Jill Leonard和Tiffany Gasbarrini所给予的指导、支持、鼓励以及尤其是在本书第2版的准备过程中他们付出的耐心表示感谢。Frano Barbir克罗地亚，斯普利特大学电气、机械与船舶学院，2012年6月

原书第1版前言和致谢

多年前就已萌生出版本书的想法。根据多年来从事工程师、研究人员、科学家以及公司主管的工作经历，本人做了大量有关燃料电池技术、发展和前景的报告。在此过程中，非常享受演示文稿的准备工作，并构思自身的想法和观点以及用事实和图片来支持。与此同时总是以一个观众的身份来考虑，我对自己的演讲报告量身定制，以适合观众并使其简单易懂。本书正是大量演讲报告的结晶。在此，非常乐意分享有关这项崭新且令人兴奋的技术，并且尤为珍重地将这项新技术传授给和我一起工作过的下一代年轻工程师以及有幸指导和教授的学生们，毕竟他们将是实现这项技术并从中受益的那群人。本人在Energy Partners（能源伙伴）公司工作了9年，这是一家位于佛罗里达州西棕榈海滩的小型私人公司。在此有着一段奇妙的教育经历：“工程师的沙箱”，并不是从书本上学习（当时也没有燃料电池方面的书籍），而是直接从燃料电池本身学习。我们从燃料电池开始着手，这是一个1ft3

的“魔术盒”，有时似乎其具有自己的想法。我的工作就是让这个盒子按照所期望的来工作。为此，不得不学习有关燃料电池的所有知识：理论、材料、元件、设计、工作原理、诊断、配套系统等，这些都是在学校时没有机会去学习的。当然，并不能靠我一个人来独自完成，我喜欢将自己学到的知识与年轻同事们一起分享并喜欢与他们一起学习。很快我们就研制成功了世界上首台以PEM燃料电池为动力的电动客车，紧接着是一辆加长的高尔夫货用（客用）运输车和一些多用途车辆（John Deere Gators）。每一台新的车辆都是上一台车辆的飞跃和提升，并且在此过程中积累了大量专业知识。但遗憾的是，在我们期望能够开始盈利时，燃料电池技术却尚未达到相应的能力。不过在那时，我非常感激小John HPerry先生——能源伙伴公司的老板，是他让我获得了如此之多的乐趣并学到了很多东西。在我的职业生涯中，有幸与许多杰出的工程师和科学家一起工作学习，借此机会对他们表示衷心感谢： TNejat Veziroglu教授，迈阿密大学教授，现为联合国工业发展组织国际氢能源科技中心主任。在氢经济理论还像是科幻小说时，他鼓励我坚持氢经济理念，并且多年来一直都是我的导师。 已故的小Harold JPlass教授，曾任迈阿密大学教授，指导我简化工程分析。 已故的Howard TOdum教授，曾任佛罗里达州立大学盖恩斯维尔分校教授，感谢他极具深度和清晰度的视野。 Floyd Marken，时任能源伙伴公司的总工程师，感谢他的智慧和工程常识。 Mario Nadal博士，时任能源伙伴公司的首席电气工程师，感谢与他无数次的午餐讨论，他总是能够轻松应对燃料电池系统电气方面的问题，从而让我不必考虑燃料电池工程的电气方面。 Hongtan Liu博士，迈阿密大学教授，我学生时代的同事和朋友，感谢他与我一起工作，并在计算流体力学（CFD）技术应用于燃料电池建模中所做出的开创性工作。 Vince Petraglia，时任能源伙伴公司副总裁，感谢他分享的燃料电池经验和智慧，概括成一句话：“燃料电池对每一种颜色的变化都非常敏感”。 George Joy博士，时任能源伙伴公司总裁，感谢他信任我并让我加入到公司的管理团队中。 Trent Molter，质子能源系统的创始人之一，现在是我在康涅狄格州全球燃料电池中心的同事，感谢他为我提供来到康涅狄格州加入工程师团队的机会，以及提供早期燃料电池相关的宝贵信息。另外，还要特别感谢为本书做出直接贡献的朋友： Wilson Chiu博士，康涅狄格州大学助理教授，负责编写了第7章“燃料电池建模”中的大部分内容。 Niloufar Fekrazad，康涅狄格州大学研究生，也参与了“燃料电池建模”章的编写。 Xinting Wang 和Richard Fu ，康涅狄格州大学研究生，积极为我提供需要的各种数据。 Haluk Grgün 博士，康涅狄格州全球燃料电池中心博士后研究员，在我忙于完成本书时热情提供实验室，并负责编写了94节“电气子系统”。 Ana Barbir，我的女儿，也是一名工程师。对我写作过程中不同阶段的大部分手稿进行了校对，纠正英语语法，并就如何改进提出了许多有益的建议。如果不感谢我的妻子Georgia的话，致谢将不完整。作为我30多年来的生活伴侣，在我撰写本书时照顾了我生活中的方方面面。如果没有她不断地鼓励和支持，本书将不会面世。在此谨以本书献给她。

Frano Barbir康涅狄格大学，斯多斯，康涅狄格州

今天化石燃料的使用满足了世界80%的能源需求，但是持续使用化石燃料存在两个严重的问题。个问题是它们的数量有限且迟早会枯竭。根据石油公司的预测，便于利用的化石燃料——石油和天然气的产量，将在2015~2020年达到，且以后产量开始减少。这意味着在2015年前后，液态燃料的需求和产量之间将开始存在缺口。第二个问题是化石燃料正在引起严重的环境问题，例如全球变暖、气候变化、冰川融化、海平面升高、酸雨、臭氧层空洞、石油泄漏以及因地表采煤而破坏的森林和农田等。据估计，每年全球环境破坏的损失累计约5万亿美元。早在20世纪70年代，人们就提出以氢能源系统作为解决以上两个彼此联系的全球性问题的方案。从那时起，在20世纪后1/4的时间里，通过全世界高校和研究实验室开展的研究和研发工作，建立起了氢能源系统的基础。21世纪的早期，向氢经济的转变开始了。氢是具有许多独一无二特性的优质能源。氢是轻、效、洁净的燃料。氢独有的特性之一是在燃料电池里，通过电化学过程将氢转换为电的效率比化石燃料在内燃机里转换为机械能或者在热电厂里转换为电能的效率高。氢的这一独有特性已使汽车厂家选择将氢燃料电池作为车用动力源，它还会使电力公司选择将燃料电池作为未来的电厂。氢燃料电池高效率的原因是它们是电化学发动机，而不是热力发动机，并且就其本身而言，它们不受卡诺循环的限制。因此，随着氢取代化石燃料，预计在21世纪燃料电池有望能取代热力发动机（内燃机、蒸汽轮机和燃气轮机）。已经开始且目前正致力于开展以下几种类型燃料电池的研究，例如碱性燃料电池、质子交换膜（PEM）燃料电池、磷酸型燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固态氧化物燃料电池等。上述技术之中的一些已经商业化，而其他技术则与商业密切相关。人们期望在几乎每一个利用能源的工厂和/或设备里找到它们的用武之地，从发电厂到汽车和家居，从便携式计算机到移动电话。PEM燃料电池尤其具有令人满意的特性。PEM燃料电池可在相对低温下工作，这一点使其易于储存并且降低了热损耗。PEM燃料电池体积小而且重量轻，这使它非常适合于汽车和便携性方面的应用。这就是为什么在今天的市场上所有产自主流厂商的氢燃料公共汽车和小轿车以PEM燃料电池为动力的原因，以及大约90% 的燃料电池研究和开发工作涉及PEM燃料电池的原因。因此，致力于能源工程当今和未来研究的工程师们应该全面通晓PEM燃料电池，就像过去的能源工程师们不得不对热机具有一个全面的了解一样。本书作者，Frano Barbir博士，在取得氢能源方向的博士学位后，开始持续密切地参与到了燃料电池公司PEM燃料电池的研究和发展工作中。同时，他也注意到了在燃料电池技术方面工程师教育的必要，因此，他已经在两个大学里开设并讲授了燃料电池方面本科高年级和研究生水平的课程。因而，他非常适合撰写一本在燃料电池方面具有权威性的书。本书从PEM燃料电池的基础开始，然后涵盖材料、工作、建模、设计以及应用等内容，是一部书写流畅、全面且编排合理的研究PEM燃料电池的书籍。因此，我向所有那些正在研究能源转化和能源应用的高年级本科生和研究生水平的工科学生郑重推荐这本关于PEM燃料电池的书籍，无论他们是否是机械、电子、化学、工业、环境或能源工程师。本书也将很好地服务于涉及能源再生、车辆自动发电以及便携系统能源装置的工程师和研究人员。TNejat Veziroglu 博士联合国工业发展组织国际氢能源科技中心主任伊斯坦布尔，土耳其，2005年2月

本书由燃料电池领域著名学者Frano Barbir教授著。Barbir教授长期从事质子交换膜（PEM）燃料电池及氢能源系统的研究，发表、出版了大量学术论文和著作。本书第1版于2005年出版，历经7年积淀与完善，反映了PEM燃料电池领域的发展，并对全书内容进行了进一步的精炼和升华。燃料电池是一种新型的能源利用方式，具有广阔的发展潜力和应用前景。国内外的众多政府部门、科研机构、公司和大学都针对燃料电池进行了深入研究。燃料电池技术经过多年来的发展，也慢慢走向成熟。燃料电池的种类很多，但其中PEM燃料电池因其特有的功率高、结构简单、操作简便等优点成为了适应性广的燃料电池之一。PEM燃料电池制成的电源洁净且绿色环保，是目前公认的电动汽车和固定式发电站的能源之一。全书以PEM燃料电池为主线，将丰富的内容融汇一体，既涵盖PEM燃料电池的基本理论和基本方法，又对PEM燃料电池的前沿和关键问题进行了剖析。书中内容编排合理，从燃料电池的化学和热动力学基础讲起，由浅及深，详细分析了包括电池的主要部件、材料特性和过程，工作条件，模型建立，电池组及系统设计以及应用等诸多环节。全书语言流畅、表述清晰，除了可作为相关专业的本科高年级学生或研究生的学习教材外，对于相关领域的研究和工程技术人员也具有十分重要的指导意义和参考价值。此外针对燃料电池的故障诊断及耐久性这一热点研究问题，作者还特别邀请了知名专家和学者——Haijiang Wang和Michael Perry博士分别撰写了其中的内容。全书内容共计12章，其中第1~3章由李东红翻译、第4章和第5章由黄庆彩翻译，第6~10章由连晓峰翻译，第11章由黄庆云、丁晓明翻译，第12章由黄庆生、蔡东山翻译。另外，李红岩、崔建忠、李红霞、韩杰、侯建斌、李红丽、武世哲、王宇龙、王佩荣、王伟、张云、毋冬、张晓伟、潘峰、金成学、郭柯和潘媛等人也参与部分翻译工作。全书后由连晓峰审校和统稿。鉴于译者的知识和水平有限，书中的纰漏在所难免，恳请专家和读者不吝指正。

译者20151011

书籍介绍

本书主要内容包括绿化工程，园路、园桥、假山工程，园林景观工程。本书按照《建设工程工程量清单计价规范》（GB 50500—2013）和《园林绿化工程工程量计算规范》（GB 50858—2013），以规则—图形—算量的方式，对园林绿化工程各分项工程的工程量计算方法作了较详细的解答说明。本书最大的特点是实际操作性强，列举的是与实际相接近的典型案例，便于读者解决实际工作中经常遇到的难点问题。

本书可供园林绿化工程造价人员参考使用，也可供高职高专院校教学参考使用。