《氫能與燃料電池》主要內(nèi)容包括氫能研發(fā)背景、氫的發(fā)展歷史、氫的物理化學(xué)性質(zhì)、五種典型的制氫技術(shù)（含碳?xì)浠衔镏茪洹㈦娊馑茪涞龋�、六類典型的儲氫技術(shù)（含高壓氣瓶儲氫、液態(tài)氫儲存、固體材料儲氫等）、氫的典型應(yīng)用（含氫燃料電池車、固定式和移動式燃料電池發(fā)電等）以及堿性燃料電池、磷酸燃料電池、質(zhì)子交換膜燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、固體氧化物燃料電池五類典型的燃料電池技術(shù)。
本教材與中國大學(xué)MOOC網(wǎng)同名課程“氫能科學(xué)與工程”配套，相關(guān)章節(jié)的視頻、在線題庫、配套彩圖可通過掃描二維碼使用。
《氫能與燃料電池》可供新能源材料與器件、儲能科學(xué)與工程、新能源科學(xué)與工程、材料科學(xué)與工程、化學(xué)工程、熱能與動力工程、建筑與環(huán)境工程及其他相關(guān)行業(yè)專業(yè)的本科和研究生教學(xué)使用，也可以作為氫能行業(yè)人員的入門參考書。
吳朝玲，四川大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，教授 博導(dǎo)
中國可再生能源學(xué)會氫能專業(yè)委員會委員
中國儀表功能材料學(xué)會儲能與動力電池及其材料專業(yè)委員會委員
中國氫能協(xié)會會員
成都市機(jī)械工程學(xué)會會員
四川省清潔汽車協(xié)會會員
科研背景
作者自2000年開始從事鎳氫電池負(fù)極材料(儲氫合金)開發(fā)，做為主研人員參與無釹稀土低溫貯氫合金電極材料及寬溫區(qū)鎳氫電池的研究工作，全程參與該項(xiàng)目的技術(shù)轉(zhuǎn)讓、企業(yè)建設(shè)等工作，并受聘為四川寶生新能源材料有限公司總工。
作者自2004年開始從事釩鈦基儲氫合金及儲氫系統(tǒng)開發(fā)，主持了國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研究計(jì)劃、留學(xué)回國人員科研啟動基金項(xiàng)目、四川省國際合作項(xiàng)目和攀枝花市科技項(xiàng)目等20余項(xiàng)。做為副組長和主研人員參與了國家863、四川省科技支撐、攀枝花市重點(diǎn)科技項(xiàng)目10余項(xiàng)。首次提出了V-Ti-Cr-Fe四元合金體系，成分優(yōu)化后的合金室溫放氫量超過2.5wt%，80℃放氫量超過3.0wt%。項(xiàng)目具有自主知識產(chǎn)權(quán)，且受到國內(nèi)外同行認(rèn)可，2008年日本NEDO年度報(bào)告中做了詳細(xì)評述，2014年著者受邀在國際氫化物會議上做了特邀報(bào)告。項(xiàng)目正在執(zhí)行成果轉(zhuǎn)化。
作者自2008年開始啟動直接水解制氫材料及相關(guān)技術(shù)的研發(fā)，先后開發(fā)了Mg-Al系、NaBH4系和Mg-Ca系、Si-Fe系水解制氫復(fù)合材料及其應(yīng)用技術(shù)，并具有自主知識產(chǎn)權(quán)。
作者主持和深入?yún)⑴c了863項(xiàng)目固體氧化物燃料電池連接板的研發(fā)，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。
發(fā)表學(xué)術(shù)論文130余篇，H-index16,被引超過820次，申請和授權(quán)專利近10項(xiàng)，獲市級科技獎(jiǎng)勵(lì)2次，獲ScienceFather授予的Best Research Award。
教學(xué)背景
作者任教17年，熱愛并全心投入教學(xué)工作。負(fù)責(zé)并完成校級《氫能技術(shù)》全英語授課品牌課程建設(shè)（2015）并運(yùn)行至今；負(fù)責(zé)MOOC《氫能與燃料電池》的建設(shè)，于2019年12月上線；主講11門本科和研究生課程；負(fù)責(zé)新能源與低碳技術(shù)創(chuàng)新班運(yùn)行；負(fù)責(zé)新能源本科實(shí)習(xí)基地建設(shè)。
把學(xué)術(shù)前沿、市場和研究成果與課堂有機(jī)結(jié)合，指導(dǎo)學(xué)生參加大創(chuàng)項(xiàng)目、參加全國性的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競賽，獲互聯(lián)網(wǎng)+國銅、挑戰(zhàn)杯省金獎(jiǎng)（優(yōu)秀指導(dǎo)教師）等。
獲“四川大學(xué)五糧春青年教師優(yōu)秀教學(xué)獎(jiǎng)”，獲四川大學(xué)“探究式-小班化”教學(xué)競賽二等獎(jiǎng)和教學(xué)示范教師稱號；獲全英語授課教學(xué)質(zhì)量優(yōu)秀獎(jiǎng)；獲四川大學(xué)優(yōu)秀實(shí)習(xí)指導(dǎo)教師二等獎(jiǎng)，多次獲“大學(xué)生課外科技實(shí)踐活動優(yōu)秀指導(dǎo)教師”和“博賽獎(jiǎng)教金”。
第1章概述
1.1氫的發(fā)展歷史 1
1.1.1氫發(fā)展史大事年表 1
1.1.2興登堡號和挑戰(zhàn)者號空難 5
1.2氫能發(fā)展趨勢 6
習(xí)題 8
參考文獻(xiàn) 8
第2章氫的物理化學(xué)性質(zhì)
2.1氫的豐度及同位素 9
2.1.1氫的豐度 9
2.1.2氫的同位素 10
2.2與氫分子相關(guān)的幾個(gè)基本術(shù)語 11
2.2.1單重態(tài)與三重態(tài) 11
2.2.2正氫和仲氫 11
2.3氫氣的物理性質(zhì) 13
2.3.1氫的平衡相圖 13
2.3.2氫氣的狀態(tài)方程 14
2.3.3焦耳-湯姆孫效應(yīng) 15
2.3.4反轉(zhuǎn)曲線 17
2.4氫的擴(kuò)散及化學(xué)性質(zhì) 17
2.4.1氫的擴(kuò)散 17
2.4.2氫的化學(xué)性質(zhì) 18
2.5氫氣與固體表面的相互作用 26
2.5.1固體的表面效應(yīng) 26
2.5.2氫與固體間的表面效應(yīng) 26
2.5.3氫脆 27
2.6氫的四種化學(xué)態(tài) 28
2.6.1簡介 28
2.6.2四種化學(xué)態(tài)的氫相互轉(zhuǎn)化和應(yīng)用 29
2.6.3分子氫 30
2.6.4質(zhì)子 31
2.6.5原子氫 31
2.6.6氫負(fù)離子 32
2.6.7氫化物應(yīng)用的新領(lǐng)域 32
2.6.8Mg顆粒外表的氫負(fù)離子 33
2.7氫化物的表面工程 34
2.7.1氫化物的各種表面相互作用 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本章結(jié)語 37
習(xí)題 37
參考文獻(xiàn) 38
第3章制氫技術(shù)
3.1碳?xì)浠衔镏茪? 39
3.1.1化石燃料制氫的物理化學(xué)基礎(chǔ) 39
3.1.2天然氣重整制氫 41
3.1.3煤制氫技術(shù) 44
3.1.4生物質(zhì)重整制氫技術(shù) 46
3.2電解水制氫技術(shù) 47
3.2.1電解水制氫原理 47
3.2.2堿性電解水制氫技術(shù) 48
3.2.3固體聚合物電解水制氫技術(shù) 51
3.2.4固體氧化物電解水制氫技術(shù) 52
3.2.5利用可再生能源的電解水制氫 52
3.2.6總結(jié)與展望 53
3.3水的熱化學(xué)制氫 53
3.3.1熱化學(xué)制氫的工作原理 54
3.3.2熱化學(xué)制氫的優(yōu)缺點(diǎn) 56
3.4水的光催化制氫和光電化學(xué)制氫 56
3.4.1光催化制氫 57
3.4.2光電化學(xué)制氫 57
3.4.3光催化制氫和光電化學(xué)制氫的區(qū)別 58
3.4.4光電化學(xué)制氫的優(yōu)缺點(diǎn) 58
3.5生物質(zhì)能制氫 59
3.5.1生物質(zhì)生化發(fā)酵制氫 60
3.5.2生物質(zhì)熱化學(xué)轉(zhuǎn)化制氫 62
3.5.3生物質(zhì)制乙醇+乙醇制氫 63
3.6本章結(jié)語 64
習(xí)題 65
參考文獻(xiàn) 65
第4章儲氫技術(shù)
4.1分子態(tài)儲氫技術(shù) 66
4.1.1高壓氣瓶儲氫 68
4.1.2氫氣壓縮 70
4.1.3液態(tài)氫儲存 72
4.1.4高壓儲氫與液氫儲存對比 75
4.2吸附儲氫技術(shù) 76
4.2.1吸附現(xiàn)象 76
4.2.2物理吸附 77
4.2.3化學(xué)吸附 78
4.2.4吸附儲氫材料 80
4.2.5小結(jié) 83
4.3金屬氫化物儲氫技術(shù) 84
4.3.1儲氫合金的組成 84
4.3.2儲氫合金的儲氫原理 85
4.3.3小結(jié) 87
4.4過渡金屬配位氫化物 87
4.5非過渡金屬配位氫化物 88
4.5.1金屬硼氫化物的結(jié)構(gòu) 88
4.5.2復(fù)雜氫化物的穩(wěn)定性 88
4.5.3金屬硼氫化物的脫氫機(jī)理 89
4.5.4金屬鋁氫化物的脫氫過程 90
4.5.5小結(jié) 91
4.6制氫-儲氫一體化技術(shù) 92
4.6.1硼氫化鈉的研發(fā)歷史 92
4.6.2硼氫化鈉的水解制氫原理 93
4.6.3硼氫化鈉水解制氫-儲氫一體化裝置 93
4.6.4NaBH4的生產(chǎn)和再生 94
4.6.5NaBH4水解制氫應(yīng)用中的幾個(gè)問題 96
4.7其他儲氫技術(shù) 96
4.7.1金屬N-H體系儲氫材料 96
4.7.2有機(jī)液態(tài)儲氫 96
4.7.3氨和氨基化合物儲氫 97
4.8材料儲氫性能的分析測試技術(shù) 98
4.8.1體積法 西韋特法(Sievert’s) 98
4.8.2熱脫附譜法 98
4.8.3熱重法 98
4.8.4電化學(xué)法 99
4.9儲氫技術(shù)發(fā)展趨勢 99
4.10本章結(jié)語 99
習(xí)題 100
參考文獻(xiàn) 101
第5章氫的典型應(yīng)用
5.1氫經(jīng)濟(jì)的實(shí)現(xiàn)路線 102
5.2氫燃料電池車 103
5.3固定式燃料電池發(fā)電 103
5.4移動式燃料電池發(fā)電 104
5.4.1基于水解制氫的移動式燃料電池電源 105
5.4.2基于可逆氣固儲氫的燃料電池充電寶 105
5.5電解水儲能 106
5.6氫內(nèi)燃機(jī)汽車 107
5.7氫燃料電池船舶 108
5.8鎳氫電池及混合動力車 108
5.9幾種與氫相關(guān)的功能器件 109
5.9.1調(diào)光鏡 109
5.9.2金屬氫化物熱泵 110
5.9.3金屬氫化物傳感器 110
5.9.4金屬氫化物控制器 110
習(xí)題 110
參考文獻(xiàn) 111
第6章燃料電池概述
6.1燃料電池的誕生 112
6.2燃料電池的結(jié)構(gòu)組成 114
6.2.1燃料電池系統(tǒng)的部件及功能 114
6.2.2單電池—電堆—電池系統(tǒng) 115
6.2.3國內(nèi)外電堆技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 116
6.2.4國內(nèi)外典型的燃料電池系統(tǒng) 118
6.3燃料電池的關(guān)鍵材料和部件 119
6.3.1燃料電池的關(guān)鍵材料 120
6.3.2燃料電池的關(guān)鍵部件 126
6.3.3燃料電池關(guān)鍵材料和部件的降解機(jī)制 137
6.3.4我國燃料電池技術(shù)發(fā)展目標(biāo)及重點(diǎn)任務(wù) 137
6.4燃料電池的工作原理 138
6.5燃料電池的特點(diǎn) 140
6.6燃料電池的分類和應(yīng)用 142
6.7燃料電池的發(fā)展歷程 144
6.7.1國內(nèi)外燃料電池的發(fā)展現(xiàn)狀 145
6.7.2日本的燃料電池發(fā)展現(xiàn)狀及規(guī)劃 147
習(xí)題 150
參考文獻(xiàn) 151
第7章堿性燃料電池
7.1堿性燃料電池的結(jié)構(gòu)及工作原理 152
7.2堿性燃料電池的特點(diǎn) 154
7.3堿性燃料電池的發(fā)展現(xiàn)狀 155
習(xí)題 156
參考文獻(xiàn) 156
第8章磷酸燃料電池
8.1磷酸燃料電池的結(jié)構(gòu)及工作原理 157
8.2磷酸燃料電池的特點(diǎn) 158
8.3磷酸燃料電池的發(fā)展現(xiàn)狀 160
習(xí)題 162
參考文獻(xiàn) 162
第9章質(zhì)子交換膜燃料電池
9.1質(zhì)子交換膜燃料電池的結(jié)構(gòu)及工作原理 163
9.2質(zhì)子交換膜燃料電池的特點(diǎn) 165
9.3質(zhì)子交換膜燃料電池的發(fā)展現(xiàn)狀 166
習(xí)題 169
參考文獻(xiàn) 169
第10章熔融碳酸鹽燃料電池
10.1熔融碳酸鹽燃料電池的結(jié)構(gòu)及工作原理 170
10.2熔融碳酸鹽燃料電池的特點(diǎn) 171
10.3熔融碳酸鹽燃料電池的發(fā)展現(xiàn)狀 172
習(xí)題 173
參考文獻(xiàn) 173
第11章固體氧化物燃料電池
11.1固體氧化物燃料電池的結(jié)構(gòu)及工作原理 174
11.2固體氧化物燃料電池的特點(diǎn) 176
11.2.1固體氧化物燃料電池的優(yōu)缺點(diǎn) 176
11.2.2固體氧化物燃料電池的分類 177
11.3固體氧化物燃料電池的發(fā)展現(xiàn)狀 179
習(xí)題 183
參考文獻(xiàn) 183
附錄實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)
實(shí)驗(yàn)1氫循環(huán)利用演示實(shí)驗(yàn) 184
實(shí)驗(yàn)2電解池陰極制氫反應(yīng)催化電極催化性能測試 185
實(shí)驗(yàn)3儲氫材料吸氫動力學(xué)性能及放氫PCT曲線的測試 187
實(shí)驗(yàn)4質(zhì)子交換膜燃料電池單電池的組裝及測試 189
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