燃料電池基礎

<內容簡介>

《燃料電池基礎》是一本易於理解的專業入門書，全書涵蓋了關於燃料電池的基礎科學和工程學。本書重點在於強調控制燃料電池運轉的基本科學原理，簡單明瞭地闡述了燃料電池是如何工作的、為什麼能產生如此高效率的潛能，以及如何充分地利用其獨特的優勢等問題。本書分為兩個部分：第一部份：燃料電池原理─重點集中在燃料電池基本物理學，包括利於理解燃料電池的圖解、例題、文字方塊和課後練習題等。第二部分：燃料電池技術─主要討論了燃料電池技術的實際應用，包括對於特定的應用如何選擇最適合的燃料電池，以及如何設計一套完整的系統。

<章節目錄>

燃料電池原理
第1章　燃料電池簡介 
1.1　什麼是燃料電池 
1.2　一個簡單的燃料電池 
1.3　燃料電池的優點 
1.4　燃料電池的缺點 
1.5　燃料電池的種類 
1.6　燃料電池的基本工作流程 
1.7　燃料電池性能 
1.8　特性評估與模擬 
1.9　燃料電池技術 
1.10 燃料電池與環境 
1.11 本章摘要 
習　題 
第2章　燃料電池熱力學
2.1　熱力學回顧 
2.1.1　什麼是熱力學 
2.1.2　內能(internal energy) 
2.1.3　熱力學第一定律 
2.1.4　熱力學第二定律 
2.1.5　熱力學勢能 
2.1.6　莫耳量(molar quantities) 
2.1.7　標準態(standard state) 
2.1.8　可逆性(reversibility) 
2.2　燃料的熱勢能：反應焓 
2.2.1　反應焓(reaction enthalpies)的計算 
2.2.2　焓的溫度相關性 
2.3　燃料的做功勢能：吉布斯自由能 
2.3.1　吉布斯自由能計算 
2.3.2　吉布斯自由能與電能的關係 
2.3.3　吉布斯自由能與反應自發性之間的關係 
2.3.4　吉布斯自由能與電壓的關係 
2.3.5　標準電極電動勢：可逆電壓的計算 
2.4　非標準狀態條件下燃料電池可逆電壓的預測 
2.4.1　可逆電壓隨溫度的變化 
2.4.2　可逆電壓隨壓力的變化 
2.4.3　可逆電壓隨濃度的變化：能斯特方程式 
2.4.4　濃差電池(Concentration Cells) 
2.4.5　小結 
2.5　燃料電池的效率 
2.5.1　理想可逆燃料電池的效率 
2.5.2　真實的燃料電池效率 
2.6　本章摘要 
習　題 
第3章　燃料電池反應動力學 
3.1　電極動力學(electrode kinetics)的介紹 
3.1.1　電化學反應不同於化學反應 
3.1.2　電化學過程是異質的 
3.1.3　電流是一種與時間有關的速率 
3.1.4　總電荷量 
3.1.5　電流密度比電流更方便 
3.1.6　電動勢或電位決定電子能量 
3.1.7　反應速率是有限的 
3.2　為何電荷傳送過程會有一個活化能 
3.3　活化能決定反應速率 
3.4　反應淨速率的計算 
3.5　平衡態下的反應速率：交換電流密度(Exchange Current Density) 
3.6　平衡條件下的反應電動勢：伽伐尼電動勢 
3.7　電動勢和速率：巴特勒－沃爾默(Butler-Volmer)方程式 
3.8　交換電流和電催化：如何改善動力學性能 
3.8.1　增加反應物濃度 
3.8.2　降低活化能障礙 
3.8.3　提高反應溫度 
3.8.4　增加反應發生的數量 
3.9　簡化的活化動力學：泰菲爾方程式(Tafel equation) 
3.10　不同燃料電池反應產生不一樣的動力學 
3.11　催化劑－電極的設計 
3.12　量子力學(Quantum Mechanics)：瞭解燃料電池催化劑的體系3.13　本章摘要 
習　題 
第4章　燃料電池電荷傳送 
4.1　響應力的電荷移動 
4.2　電荷傳送導致電壓損失 
4.3　燃料電池電荷傳送電阻的特性 
4.3.1　電阻隨面積的比例變化 
4.3.2　電阻隨厚度的比例變化 
4.3.3　燃料電池的電阻可加性 
4.3.4　離子(電解質)電阻通常佔主要部分 
4.4　導電率的物理意義 
4.4.1　電子導體與離子導體 
4.4.2　金屬的電子導電率 
4.4.3　固態晶體電解質的離子導電率 
4.5　燃料電池電解質種類綜述 
4.5.1　水溶液電解質／離子液體中的離子傳導 
4.5.2　高分子聚合物電解質中的離子傳導 
4.5.3　陶瓷電解質中的離子傳導 
4.6　關於擴散率和導電率的更多內容(選讀) 
4.6.1　擴散率的原子級起源 
4.6.2　導電率和擴散率的關係(1) 
4.6.3　擴散率和導電率的關係(2) 
4.7　為何電驅動力決定電荷傳送(選讀) 
4.8　本章摘要 
習　題 
第5章　燃料電池的質傳 
5.1　電極與流場板中的輸送 
5.2　電極內的傳送：擴散傳送
5.2.1　驅動擴散的電化學反應 
5.2.2　限制電流密度(Limiting Current Density) 
5.2.3　濃度影響能斯特電壓(Nernst Voltage) 
5.2.4　濃度影響反應速率 
5.2.5　燃料電池濃度損耗結論 
5.3　流場板中的傳送：對流傳送 
5.3.1　流體力學回顧 
5.3.2　流場板流道中的質傳 
5.3.3　氣體沿流場流道燃料不足 
5.3.4　流場板設計 
5.4　本章摘要 
習　題 
 第6章　燃料電池模型 
6.1　把元件組合成一個系統：一個基本的燃料電池模型 
6.2　一維燃料電池模型 
6.2.1　燃料電池中的通量平衡 
6.2.2　簡化假設 
6.2.3　控制方程式 
6.2.4　範例 
6.2.5　其他考慮因素 
6.3　基於計算流體動力學的燃料電池模型(選讀) 
6.4　本章摘要 
習　題 
第7章　燃料電池基本特性 
7.1　我們關注哪些基本特性 
7.2　基本特性技術總論 
7.3　現場電化學基本特性測試技術 
7.3.1　基本的電化學變數：電壓、電流和時間 
7.3.2　基本的燃料電池測試平台基本要求 
7.3.3　電流－電壓測量 
7.3.4　電化學阻抗譜法(EIS) 
7.3.5　電流中斷測量 
7.3.6　迴圈伏安法 
7.4　非現地測試技術 
7.4.1　孔隙率的測定 
7.4.2　BET表面積的測定 
7.4.3　氣體滲透性 
7.4.4　結構測定 
7.4.5　化學測定 
7.5　本章摘要 
習　題 
第二部分　燃料電池技術
第8章　燃料電池類型概述 
8.1　引言 
8.2　磷酸燃料電池 
8.3　高分子聚合物電解質膜的燃料電池(PEMFC) 
8.4　鹼性燃料電池(AFC) 
8.5　熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC) 
8.6　固態氧化物燃料電池(SOFC) 
8.7　總結 
8.8　本章摘要 
習　題 
第9章　燃料電池系統介紹 
9.1　燃料電池堆(燃料電池次系統) 
9.2　熱管理次系統 
9.3　燃料運送／處理次系統 
9.3.1　氫氣的儲存 
9.3.2　使用一種氫載體 
9.3.3　燃料傳送／重組處理次系統總結 
9.4　電力電子電能轉換之次系統 
9.4.1　電力調節 
9.4.2　電力轉換 
9.4.3　監控系統 
9.4.4　電力供應管理 
9.5　燃料電池系統之設計個案研究：可攜式燃料電池的設計 
9.6　本章摘要 
習　題 
 
第10章　燃料電池系統整合和次系統設計 
10.1　四個主要次系統的總述 
10.1.1　燃料處理次系統 
10.1.2　燃料電池次系統 
10.1.3　電力電子次系統 
10.1.4　熱管理次系統 
10.1.5　淨電效率和熱回收效率 
10.2　外部重組：燃料處理次系統 
10.2.1　燃料重組總論 
10.2.2　水蒸氣重組 
10.2.3　部分氧化重組 
10.2.4　自熱重組(AR) 
10.2.5　水－氣移轉反應器 
10.2.6　一氧化碳的去除 
10.2.7　CO生成甲烷的選擇性甲烷化 
10.2.8　CO生成CO2的選擇性氧化 
10.2.9　變壓吸附 
10.2.10　鈀膜分離 
10.3　熱管理次系統 
10.3.1　節點分析步驟總論 
10.4　本章摘要 
習　題 
第11章　燃料電池的環境效應 
11.1　壽命週期評價 
11.1.1　壽命週期評價工具 
11.1.2　壽命週期評價應用於燃料電池 
11.2　LCA的重要排放物 
11.3　有關地球暖化的排放物 
11.3.1　氣候變化 
11.3.2　自然溫室效應 
11.3.3　地球暖化 
11.3.4　地球暖化的例證 
11.3.5　氫氣是地球暖化的潛在因素 
11.3.6　定量化環境的影響——二氧化碳當量 
11.3.7　定量化環境的影響——地球暖化的外部成本 
11.4　有關空氣污染的排放物 
11.4.1　氫氣是潛在的空氣污染因素 
11.4.2　定量化環境的影響——空氣污染對健康的影響 
11.4.3　定量化環境的影響——空氣污染的外部成本 
11.5　利用LCA的整體分析 
11.5.1　電力概要 
11.6　本章摘要 
習　題 
第三部分　附　錄
附錄A　常數與換算 
附錄B　熱力學資料 
附錄C　25℃時的標準電極電動勢 
附錄D　量子力學 
D.1　原子軌道 
D.2　量子力學假說 
D.3　一維電子氣 
D.4　類比杆屈曲 
D.5　氫原子 
附錄E　CFD燃料電池模型的控制方程式 
附錄F　元素週期表 
附錄G　補充閱讀參考資料 
參考文獻 
重要公式