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《氢能与燃料电池》主要内容包括氢能研发背景、氢的发展历史、氢的物理化学性质、五种典型的制氢技术（含碳氢化合物制氢、电解水制氢等）、六类典型的储氢技术（含高压气瓶储氢、液态氢储存、固体材料储氢等）、氢的典型应用（含氢燃料电池车、固定式和移动式燃料电池发电等）以及碱性燃料电池、磷酸燃料电池、质子交换膜燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池五类典型的燃料电池技术。本教材与中国大学MOOC网同名课程“氢能科学与工程”配套，相关章节的视频、在线题库、配套彩图可通过扫描二维码使用。《氢能与燃料电池》可供新能源材料与器件、储能科学与工程、新能源科学与工程、材料科学与工程、化学工程、热能与动力工程、建筑与环境工程及其他相关行业专业的本科和研究生教学使用，也可以作为氢能行业人员的入门参考书。

第1章概述

1.1氢的发展历史 1

1.1.1氢发展史大事年表 1

1.1.2兴登堡号和挑战者号空难 5

1.2氢能发展趋势 6

习题 8

参考文献 8

第2章氢的物理化学性质

2.1氢的丰度及同位素 9

2.1.1氢的丰度 9

2.1.2氢的同位素 10

2.2与氢分子相关的几个基本术语 11

2.2.1单重态与三重态 11

2.2.2正氢和仲氢 11

2.3氢气的物理性质 13

2.3.1氢的平衡相图 13

2.3.2氢气的状态方程 14

2.3.3焦耳-汤姆孙效应 15

2.3.4反转曲线 17

2.4氢的扩散及化学性质 17

2.4.1氢的扩散 17

2.4.2氢的化学性质 18

2.5氢气与固体表面的相互作用 26

2.5.1固体的表面效应 26

2.5.2氢与固体间的表面效应 26

2.5.3氢脆 27

2.6氢的四种化学态 28

2.6.1简介 28

2.6.2四种化学态的氢相互转化和应用 29

2.6.3分子氢 30

2.6.4质子 31

2.6.5原子氢 31

2.6.6氢负离子 32

2.6.7氢化物应用的新领域 32

2.6.8Mg颗粒外表的氢负离子 33

2.7氢化物的表面工程 34

2.7.1氢化物的各种表面相互作用 34

2.7.2表面特性的重要性 35

2.7.3表面特性的改善措施 36

2.8本章结语 37

习题 37

参考文献 38

第3章制氢技术

3.1碳氢化合物制氢 39

3.1.1化石燃料制氢的物理化学基础 39

3.1.2天然气重整制氢 41

3.1.3煤制氢技术 44

3.1.4生物质重整制氢技术 46

3.2电解水制氢技术 47

3.2.1电解水制氢原理 47

3.2.2碱性电解水制氢技术 48

3.2.3固体聚合物电解水制氢技术 51

3.2.4固体氧化物电解水制氢技术 52

3.2.5利用可再生能源的电解水制氢 52

3.2.6总结与展望 53

3.3水的热化学制氢 53

3.3.1热化学制氢的工作原理 54

3.3.2热化学制氢的优缺点 56

3.4水的光催化制氢和光电化学制氢 56

3.4.1光催化制氢 57

3.4.2光电化学制氢 57

3.4.3光催化制氢和光电化学制氢的区别 58

3.4.4光电化学制氢的优缺点 58

3.5生物质能制氢 59

3.5.1生物质生化发酵制氢 60

3.5.2生物质热化学转化制氢 62

3.5.3生物质制乙醇+乙醇制氢 63

3.6本章结语 64

习题 65

参考文献 65

第4章储氢技术

4.1分子态储氢技术 66

4.1.1高压气瓶储氢 68

4.1.2氢气压缩 70

4.1.3液态氢储存 72

4.1.4高压储氢与液氢储存对比 75

4.2吸附储氢技术 76

4.2.1吸附现象 76

4.2.2物理吸附 77

4.2.3化学吸附 78

4.2.4吸附储氢材料 80

4.2.5小结 83

4.3金属氢化物储氢技术 84

4.3.1储氢合金的组成 84

4.3.2储氢合金的储氢原理 85

4.3.3小结 87

4.4过渡金属配位氢化物 87

4.5非过渡金属配位氢化物 88

4.5.1金属硼氢化物的结构 88

4.5.2复杂氢化物的稳定性 88

4.5.3金属硼氢化物的脱氢机理 89

4.5.4金属铝氢化物的脱氢过程 90

4.5.5小结 91

4.6制氢-储氢一体化技术 92

4.6.1硼氢化钠的研发历史 92

4.6.2硼氢化钠的水解制氢原理 93

4.6.3硼氢化钠水解制氢-储氢一体化装置 93

4.6.4NaBH4的生产和再生 94

4.6.5NaBH4水解制氢应用中的几个问题 96

4.7其他储氢技术 96

4.7.1金属N-H体系储氢材料 96

4.7.2有机液态储氢 96

4.7.3氨和氨基化合物储氢 97

4.8材料储氢性能的分析测试技术 98

4.8.1体积法 西韦特法(Sievert’s) 98

4.8.2热脱附谱法 98

4.8.3热重法 98

4.8.4电化学法 99

4.9储氢技术发展趋势 99

4.10本章结语 99

习题 100

参考文献 101

第5章氢的典型应用

5.1氢经济的实现路线 102

5.2氢燃料电池车 103

5.3固定式燃料电池发电 103

5.4移动式燃料电池发电 104

5.4.1基于水解制氢的移动式燃料电池电源 105

5.4.2基于可逆气固储氢的燃料电池充电宝 105

5.5电解水储能 106

5.6氢内燃机汽车 107

5.7氢燃料电池船舶 108

5.8镍氢电池及混合动力车 108

5.9几种与氢相关的功能器件 109

5.9.1调光镜 109

5.9.2金属氢化物热泵 110

5.9.3金属氢化物传感器 110

5.9.4金属氢化物控制器 110

习题 110

参考文献 111

第6章燃料电池概述

6.1燃料电池的诞生 112

6.2燃料电池的结构组成 114

6.2.1燃料电池系统的部件及功能 114

6.2.2单电池—电堆—电池系统 115

6.2.3 外电堆技术发展现状 116

6.2.4 外典型的燃料电池系统 118

6.3燃料电池的关键材料和部件 119

6.3.1燃料电池的关键材料 120

6.3.2燃料电池的关键部件 126

6.3.3燃料电池关键材料和部件的降解机制 137

6.3.4我国燃料电池技术发展目标及重点任务 137

6.4燃料电池的工作原理 138

6.5燃料电池的特点 140

6.6燃料电池的分类和应用 142

6.7燃料电池的发展历程 144

6.7.1 外燃料电池的发展现状 145

6.7.2日本的燃料电池发展现状及规划 147

习题 150

参考文献 151

第7章碱性燃料电池

7.1碱性燃料电池的结构及工作原理 152

7.2碱性燃料电池的特点 154

7.3碱性燃料电池的发展现状 155

习题 156

参考文献 156

第8章磷酸燃料电池

8.1磷酸燃料电池的结构及工作原理 157

8.2磷酸燃料电池的特点 158

8.3磷酸燃料电池的发展现状 160

习题 162

参考文献 162

第9章质子交换膜燃料电池

9.1质子交换膜燃料电池的结构及工作原理 163

9.2质子交换膜燃料电池的特点 165

9.3质子交换膜燃料电池的发展现状 166

习题 169

参考文献 169

0章熔融碳酸盐燃料电池

10.1熔融碳酸盐燃料电池的结构及工作原理 170

10.2熔融碳酸盐燃料电池的特点 171

10.3熔融碳酸盐燃料电池的发展现状 172

习题 173

参考文献 173

1章固体氧化物燃料电池

11.1固体氧化物燃料电池的结构及工作原理 174

11.2固体氧化物燃料电池的特点 176

11.2.1固体氧化物燃料电池的优缺点 176

11.2.2固体氧化物燃料电池的分类 177

11.3固体氧化物燃料电池的发展现状 179

习题 183

参考文献 183

附录实验指导

实验1氢循环利用演示实验 184

实验2电解池阴极制氢反应催化电极催化性能测试 185

实验3储氢材料吸氢动力学性能及放氢PCT曲线的测试 187

实验4质子交换膜燃料电池单电池的组装及测试 189

吴朝玲，四川大学材料科学与工程学院，教授 博导中国可再生能源学会氢能专业委员会委员中国仪表功能材料学会储能与动力电池及其材料专业委员会委员中国氢能协会会员成都市机械工程学会会员四川省清洁汽车协会会员科研背景作者自2000年开始从事镍氢电池负极材料(储氢合金)开发，做为主研人员参与无钕稀土低温贮氢合金电极材料及宽温区镍氢电池的研究工作，全程参与该项目的技术转让、企业建设等工作，并受聘为四川宝生新能源材料有限公司总工。作者自2004年开始从事钒钛基储氢合金及储氢系统开发，主持了 自然科学基金、 重点研究计划、留学回国人员科研启动基金项目、四川省 合作项目和攀枝花市科技项目等20余项。做为副组长和主研人员参与了 863、四川省科技支撑、攀枝花市重点科技项目10余项。 提出了V-Ti-Cr-Fe四元合金体系，成分优化后的合金室温放氢量超过2.5wt%，80℃放氢量超过3.0wt%。项目具有自主知识产权，且受到 外同行认可，2008年日本NEDO年度报告中做了详细评述，2014年著者受邀在 氢化物会议上做了特邀报告。项目正在执行成果转化。作者自2008年开始启动直接水解制氢材料及相关技术的研发，先后开发了Mg-Al系、NaBH4系和Mg-Ca系、Si-Fe系水解制氢复合材料及其应用技术，并具有自主知识产权。作者主持和深入参与了863项目固体氧化物燃料电池连接板的研发，积累了丰富的经验。发表学术论文130余篇，H-index16,被引超过820次，申请和授权专利近10项，获市级科技奖励2次，获ScienceFather授予的Best Research Award。教学背景作者任教17年，热爱并全心投入教学工作。负责并完成校级《氢能技术》全英语授课品牌课程建设（2015）并运行至今；负责MOOC《氢能与燃料电池》的建设，于2019年12月上线；主讲11门本科和研究生课程；负责新能源与低碳技术创新班运行；负责新能源本科实习基地建设。把学术前沿、市场和研究成果与课堂有机结合，指导学生参加大创项目、参加全国性的创新创业竞赛，获互联网+国铜、挑战杯省金奖（ 指导教师）等。获“四川大学五粮春青年教师 教学奖”，获四川大学“探究式-小班化”教学竞赛二等奖和教学示范教师称号；获全英语授课教学质量 奖；获四川大学 实习指导教师二等奖，多次获“大学生课外科技实践活动 指导教师”和“博赛奖教金”。

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