綠色的革命：漫話燃料電池（簡體書）

《綠色的革命:漫話燃料電池》內容簡介：我們生活的世界有形形色色的事物和現象，其中都必定包含著“科學”的成分。在這些成分中，有些是你所熟知的，有些是你未知的，有些是你還一知半解的。面對未知的世界，好奇的你是不是有很多疑惑、不解和期待呢？“形形色色的科學”趣味科普叢書，把我們生活和身邊方方面面的科學知識，活靈活現、生動有趣地展示給你，讓你在暢快閱讀中收獲這些鮮活的科學知識！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。《綠色的革命:漫話燃料電池》主要以燃料電池為中心，探討了燃料電池的原理、特征，燃料電池與其他電池的區別，燃料電池的種類、應用領域，以及燃料電池發展史和開發動向等。

作者：(日本)本間琢也 (日本)上松宏吉 譯者：烏日娜

《綠色的革命:漫話燃料電池》是一本通俗易懂的燃料電池入門書。《綠色的革命:漫話燃料電池》主要以燃料電池為中心，探討了燃料電池的原理、特征，燃料電池與其他電池的區別，燃料電池的種類、應用領域，以及燃料電池發展的歷史和開發動向的相關內容。
燃料電池，一個我們既熟悉又陌生的事物。它可以將存在于燃料與氧化劑中的化學能直接傳化為電能。這種高效又清潔的技術會繼石油燃料之後，成為能源界的後起之秀嗎？一起來看看燃料電池還來的優質能源和美好的生活吧。從氫氣和氧氣中高效地，燃料電池會在後石油時代一枝獨秀嗎？家用節能系統的下一個目標。

所謂電池三兄弟，是指太陽能電池、燃料電池和蓄電池（充電電池）。電池作為最具代表性的能源設備，正向著大力開發和普及的方向發展。電池三兄弟的工作原理是光伏效應和電化學現象，這些科學發現和燃料電池的設想都集中發生于1800年前後，可以說，這是一件非常有趣的事。太陽能電池是通過光電效應把太陽的光能轉化成電能的裝置。太陽能電池技術近年來得到了迅速的發展和普及。起初，燃料電池被應用于人造衛星等宇宙探索領域，從太空“降落”到地面之後，燃料電池在我們的日常生活中也得到了廣泛應用，主要是作為提供電能和熱能的熱電聯產設備和汽車用動力源。從2009年起，家用燃料電池作為商用機開始銷售。據預測，燃料電池汽車最早將于2015年前後進入全面普及期。太陽能電池和燃料電池屬于發電設備，而充電電池則是儲存電能的裝置。太陽能電池的能量來源是太陽，因此供給源的大幅變動是不可避免的。
那么，僅僅為了大量高效地取用可再生能源，而絕口不提充電電池的做法是行不通的。以這一設想為起點，可以引出智能電網的概念。智能電網是將IT技術引入電網的設想，與充電電池和電動汽車一同作為調整需求的一種手段，其意圖是建設環境負擔小的能源基礎設施。以智能電網為啟發，人們提出了智能能源系統的設想。在智能能源系統中，燃料電池將與氫氣一起發揮重要的作用。于是，以智能能源系統為起點，人們也開始期待氫氣能源社會的到來。這是一本通俗易懂的燃料電池入門書。本書主要以燃料電池為中心，探討了燃料電池的原理、特征，燃料電池與其他電池的區別，燃料電池的種類、應用領域，以及燃料電池發展的歷史和開發動向的相關內容。如果本書能夠對廣大讀者認識和了解燃料電池提供一定的參考和幫助，我們將深感欣慰。

第1章 什么是燃料電池
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產生電能 002
002 燃料電池的反應是指從燃料直接產生電能的電化學反應 004
003 由于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
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
005 作為發電單位的單電池由電極、電解質、分離器和外部回路組成
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 電流取決于電極的反應速率 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、電解質的三相界面 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 組成燃料電池的系統中有些組成部分是必不可少的 024
013 用化石燃料制備氫氣的燃料處理裝置的改質過程 026
014 驗證實驗終有結果家用燃料電池系統迎來商業化應用 028
015 世界上第一個燃料電池是威廉格魯夫的水電解實驗裝置 030
016 以地面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 0340
018 高輸出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產電廠中的應用 038
020 低溫型燃料電池和高溫型燃料電池各有千秋 040
021 熔融碳酸鹽型燃料電池的工作原理及其特征 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，可用于便攜式設備電源 052
027 ?燃料電池歷史悠久，最近由于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 只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回原來物質的過程 068
034 表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，電池的能量密度低于理論能量密度 074
037 鎳氫電池的充放電反應與充電電池的發展歷程 076
038 電動汽車開發中受到關注的鋰離子電池 078
039 鋰的特性與鋰系電池 080
040 鋰離子電池的充放電過程及其特征 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
COL UMN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 生活中廣泛應用的家庭用燃料電池
vi044家庭用燃料電池的普及推廣是對抗全電化的表現 092
045 選擇固體高分子型燃料電池是從產學研結合項目獲得的成績 094
046 燃料電池發電向基礎電力供應的方向發展 096
047 從電力與熱能需求量的比例出發，設定額定輸出功率為1kW 098
048 冬夏季電力需求高，夏季熱能需求低 100
049 家庭用燃料電池的物質、熱能、電的流動 102
050 追蹤系統內空氣與水的流動 104
051 追蹤熱能的流動排熱回收系統的作用 106
052 家庭用燃料電池以安全、安心和經久耐用為先決條件 108
053 家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 家用固體氧化物型燃料電池的優點 114
056 家庭用固體氧化物型燃料電池中存在的問題 116
COLUMN家庭用燃料電池與電力系統聯合運轉 118

第4章 燃料電池在汽車中的應用
057 燃料電池汽車（FCV）是什么樣的汽車 120
058 燃料電池汽車用什么燃料 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合金儲藏中存在的問題 126
061 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么要求 130
063 氫氣加氣站的系統組成132
064 燃料電池汽車環境性能與效率的評價方法 134
065 氫氣危險關于燃料電池汽車安全性能的考慮 136
066 燃料電池汽車的歷史與發展的軌跡 138
067 燃料電池汽車普及需要克服的難題 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
071 什么是甲醇滲透現象 150
072 改善甲醇燃料電池性能的嘗試 152
073 能夠抑制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系統的結構 156
075 如何選擇主動型和被動型甲醇燃料電池 158
076 用于移動信息終端的固體高分子型燃料電池目前正在試制階段 160
077 用于移動信息終端的甲醇燃料電池的開發歷史 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么用途 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
081 磷酸型燃料電池開發與市場開拓的歷史 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 用于廢棄物系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 適用于高溫型燃料電池的燃料范圍較為廣泛 182
087 組合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 氫氣是什么190
090 想象不久將來的生態生活 192
viiiCOLUMN智能能源網絡與氫氣能源系統 194
參考文獻 195

在前面的章節中，固體高分子型燃料電池的名字已經出現了多次，因此讀者們應該對其工作的相關內容有大致了解了吧。這里，以其他燃料電池中碰不到的技術爭論焦點為話題，進行研究。
固體高分子型燃料電池具有能在低溫下工作、易于啟動和停止、能夠在短時間內啟動、輸出功率密度高、小型燃料電池也能完成任務等顯著的優點。當然也有缺點，第一個問題是必須將燃料改質裝置中改質氣體所含一氧化碳（CO）濃度降低到極低水平。第二個問題是，氫離子通過固體高分子膜時常常帶著水分子移動，另外，為了確保電解質膜的離子通道通暢，要求提供水，因此必須經常補充水分。話雖如此，如果水分供給過多，特別是空氣極側的水溢出時會堵塞空氣通路，阻礙電極反應的進行，因此水的恰當管理是非常重要的技術課題。為此，疊層裝置的前面必須配備一個加濕器。
為了防止一氧化碳（CO）降低電極催化劑的性能，鉑金和鉑金族的釕一起作電極催化劑。通常，一氧化碳（CO）所侵入的燃料極上，用鉑金和釕的合金作催化劑。釕能夠利用電解質中的水分，將包圍在鉑金催化劑周圍的一氧化碳氣體氧化成二氧化碳氣體。盡管如此，考慮到燃料電池的耐久性，有必要把燃料處理裝置提供的燃料氣體中的CO濃度控制在極低的10ppm限度以下。為實現上述目的，一般來說需要引入選擇氧化反應的過程。