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作者:Knowledge Press (COM)

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isbn号码:9781594301339

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• 燃料电池
• 耐久性
• 性能
• 电化学
• 材料科学
• 能源
• 可再生能源
• 氢能
• 电催化
• 电池技术

《燃料电池：材料、设计与应用》 本书深入探讨了现代燃料电池技术的核心要素，从基础的电化学原理到前沿的材料科学进展，再到具体的系统设计与实际应用。我们旨在为读者提供一个全面且深入的视角，理解不同类型燃料电池的工作机制、性能优势以及它们在能源转型中的关键作用。 第一部分：燃料电池基础与原理 本部分首先回顾了燃料电池的基本概念，包括其作为一种能量转换装置的独特性质——直接将化学能转化为电能，无需经历热力循环，因而具有更高的效率和更低的排放。我们将详细阐述电化学的核心原理，如电极反应、离子传输、电解质的作用以及各种类型的电化学过程。 电化学基础： 深入解析氧化还原反应在燃料电池中的作用，以及法拉第定律、能斯特方程等基本电化学定律如何应用于理解燃料电池的电势和效率。 能量转换过程： 详细描述燃料电池内部的能量转换流程，包括燃料的氧化、氧化剂的还原、离子的迁移以及电子的流动，并解释这些过程如何协同工作产生电能。 热力学与动力学： 分析影响燃料电池性能的热力学因素（如吉布斯自由能变化）和动力学因素（如电荷转移速率、传质阻抗），为理解性能损失和优化设计奠定理论基础。 第二部分：关键材料与组件 材料是燃料电池的心脏。本部分将聚焦于构成燃料电池的关键材料，分析它们在不同类型燃料电池中的作用、性能要求以及当前的研究热点。 电极材料： 催化剂： 重点介绍用于氧还原反应（ORR）和燃料氧化反应（FOR）的催化剂。我们将深入探讨铂基催化剂的结构、活性位点以及其面临的成本和稳定性挑战。同时，也会广泛介绍非铂族金属催化剂（如钴、镍、铁基材料）和碳基催化剂（如石墨烯、碳纳米管负载的金属纳米颗粒）的最新进展，分析它们的优缺点以及在提高催化活性和降低成本方面的潜力。 气体扩散层（GDL）： 探讨GDL在气体输送、排水和支撑膜电极组件（MEA）方面的作用。分析不同碳材料（如炭黑、碳纤维）的形貌、孔隙结构和表面处理如何影响GDL的性能，以及疏水处理技术的重要性。 电解质材料： 质子交换膜（PEM）： 详细介绍聚合物电解质膜（PEM）的结构、性能指标（如质子电导率、化学稳定性、机械强度）以及不同聚合物（如Nafion、磺化聚醚醚酮（SPEEK））的特性。讨论膜的溶胀行为、水管理和操作温度对性能的影响。 固体氧化物电解质（SOE）： 重点介绍陶瓷电解质（如氧化钇稳定氧化锆（YSZ）、掺杂铈氧化物）在高温下的离子电导率、化学稳定性和机械性能。分析其在固态氧化物燃料电池（SOFC）中的应用，以及电解质厚度和微观结构对性能的制约。 碱性电解质： 讨论在碱性燃料电池（AFC）中使用的液体或固体碱性电解质（如KOH溶液、碳酸钾）的特性，以及其在OER和HER中的催化机制。 双极板（Bipolar Plates）： 分析双极板在实现单元串联、收集电流、输送燃料和氧化剂以及为MEA提供结构支撑等方面的多重功能。介绍不同材料（如金属、石墨、复合材料）的应用，以及板体设计（如流场结构）对传质、散热和集成度的影响。 第三部分：燃料电池类型与系统设计 本部分将系统介绍不同类型的燃料电池，并探讨它们在系统集成、性能优化和实际应用中的关键考虑因素。 主要燃料电池类型： 质子交换膜燃料电池（PEMFC）： 详细介绍其工作原理、优点（如低温操作、快速启动）和缺点（如对燃料纯度的要求、成本）。重点关注其在交通运输（电动汽车）和便携式电源领域的应用。 固体氧化物燃料电池（SOFC）： 阐述其高温工作原理、优点（如燃料灵活性、协同发电制热）和挑战（如材料稳定性、启动时间）。重点介绍其在分布式发电和固定式电源方面的潜力。 碱性燃料电池（AFC）： 介绍其工作原理、优点（如高效率、对CO2不敏感）和历史应用（如航天器）。讨论其在低成本应用中的前景。 磷酸燃料电池（PAFC）： 讲解其工作原理、优点（如对CO2有一定耐受性）和在固定式发电领域的应用。 熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）： 介绍其高温工作原理、燃料灵活性和在大型发电厂中的应用。 系统设计与集成： 模块化与堆叠： 讨论如何将单个电池单元堆叠成燃料电池堆，以及实现高电压和功率输出的设计策略。 辅助系统： 详细分析燃料供应系统、氧化剂供应系统（如空气增压）、散热系统、水管理系统以及电化学能量管理系统的设计要求和集成技术，这些系统对于燃料电池的稳定高效运行至关重要。 控制策略： 探讨燃料电池系统的启动、运行、负荷响应和停机等过程的控制策略，以及如何实现最佳的性能和寿命。 性能评估与优化： 性能指标： 定义和解释关键性能指标，如功率密度、能量密度、效率、启动时间、循环寿命。 测试方法： 介绍标准化的性能测试方法和设备，以及如何通过伏安特性曲线、阻抗谱等手段来评估电池性能和识别性能损失来源。 性能优化技术： 讨论通过改进材料、优化电极结构、改进流场设计、优化水管理等手段来提升燃料电池的性能和效率。 第四部分：燃料电池的应用与未来展望 本部分将着眼于燃料电池的实际应用场景，并探讨其在全球能源转型中的发展趋势和面临的挑战。 主要应用领域： 交通运输： 详细分析燃料电池在电动汽车（FCV）、商用车、航空航天等领域的应用前景，以及面临的基础设施（加氢站）建设挑战。 固定式电源： 探讨燃料电池在备用电源、分布式发电、热电联产等领域的应用，以及其在提高电网稳定性和减少碳排放方面的作用。 便携式电子设备： 介绍燃料电池作为下一代便携式能源的潜力，以及微型化和成本效益的挑战。 面临的挑战与发展趋势： 成本问题： 深入分析目前燃料电池成本高昂的主要原因，包括贵金属催化剂、复杂制造工艺等，并探讨降低成本的策略，如新材料的开发、规模化生产和回收利用。 寿命与可靠性： 讨论影响燃料电池长期稳定运行的因素，如材料退化、密封性问题、水管理不当等，并介绍提高其寿命和可靠性的研究方向。 基础设施建设： 分析推广燃料电池技术所需的加氢站、充电桩等配套基础设施的建设瓶颈与发展策略。 政策与市场驱动： 探讨政府政策、行业标准以及市场需求如何共同推动燃料电池技术的商业化进程。 与其他能源技术的融合： 展望燃料电池与可再生能源（如太阳能、风能）结合，以及与储能技术的协同发展，共同构建可持续的未来能源体系。 本书力求在理论深度和实践指导之间取得平衡，为材料科学家、化学工程师、能源专家、政策制定者以及对前沿能源技术感兴趣的读者提供一个宝贵的参考。

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这本关于燃料电池的书，坦率地说，让我感到非常振奋。它的深度和广度都远超出了我的预期。作者显然是这个领域的资深人士，能够将那些晦涩难懂的化学和工程学原理，用一种既严谨又易于理解的方式呈现出来。特别是关于材料选择对电池长期稳定性的影响这一章节，分析得极其透彻。我原本以为自己对这块已经有了相当的了解，但阅读后发现，过去很多自己习以为常的假设，在更深层次的实验数据面前，都有了新的解释空间。书中对催化剂中毒机制的论述尤为精彩，它不仅仅是列举了已知的几种“杀手”，更是深入探讨了在不同运行工况下，这些机制是如何协同作用，加速电池性能衰减的。书中详实的图表和案例研究，让人仿佛亲身参与到那些尖端的研发测试中去。读完之后，我感觉自己对如何设计、测试和优化下一代高性能燃料电池系统，有了一套全新的、更具前瞻性的思路。这绝对不是一本可以快速翻阅的入门读物，而是一本需要沉下心来反复研读、时常停下来思考的深度参考手册。对于任何严肃的燃料电池研究人员或工程师来说，这本书几乎是案头必备的圣经。

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这本书带来的最大启发，在于它颠覆了我对“性能”和“耐久”之间关系的传统认知。过去我倾向于将两者视为一种权衡——为了更高的效率牺牲一些寿命，反之亦然。但这本书的论点是，真正的卓越性能，必须建立在坚如磐石的耐久基础之上，它们是相互促进而非相互制约的。作者通过对先进的离子传导机制和界面稳定性的深度剖析，论证了如何通过精妙的结构设计，实现效率和寿命的“双赢”。我尤其欣赏其中对循环老化过程的“时域分析”。很多现有文献只关注初始性能和最终性能的对比，但这本书却像一台高倍显微镜，展示了性能衰减的“加速度”和“拐点”出现在何时何地。这种对动态过程的细致捕捉，为我们优化电池的“健康管理系统”提供了关键的输入参数。它不仅仅是在讲述已经发生的事情，更是在教导我们如何预见和预防未来的失效模式。对于那些致力于将燃料电池技术推向商业化大规模应用的人来说，这本书提供的视角是至关重要的战略指导。

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我必须承认，这本书的阅读体验是有些“硬核”的。它几乎没有为非专业读者留出太多喘息的空间。每一页都充满了密集的专业术语和对实验参数的精确描述，这对于那些希望快速了解燃料电池概况的人来说，可能会感到吃力。然而，如果你是正在与燃料电池寿命衰减问题“死磕”的科研人员，那么这本书就是一座宝藏。它详尽地记录了在极端温度、高湿循环和动态负载变化等苛刻条件下，不同电池堆的表现差异。其中关于“热点效应”对双极板腐蚀速度的影响分析，简直是教科书级别的案例。我特别注意到，作者在描述实验结果时，并没有简单地给出结论，而是将数据、观察到的微观形貌变化、以及理论推导三者紧密地结合起来，形成一个完整的论证链条。这种多维度交叉验证的写作风格，极大地增强了结论的可信度。总而言之，这不是一本可以轻松地在通勤路上阅读的书，它需要你带着笔记本，随时准备暂停下来，对照查阅相关的标准或文献。它更像是一份经过数十年实践检验的“操作手册”，而不是一本面向大众的科普读物。

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这本书的结构安排非常巧妙，它不像某些技术书籍那样线性地堆砌知识点，而是采用了问题导向型的叙事方式。每一章都像是在解决一个行业内悬而未决的关键难题，从电极制备的均一性到气体扩散层的疏水性控制，无不体现出对实际工程挑战的深刻理解。我个人对其中关于“水热管理对膜电极组（MEA）寿命的非线性影响”的章节印象最为深刻。作者不仅展示了过湿和过干环境各自带来的负面效应，更精确地量化了“最佳操作窗口”的边界条件，并结合实际长期运行数据进行了修正。这种对细节的执着和对边界条件的精确界定，是这本书价值的体现。它让你意识到，燃料电池的性能提升不再是依靠单一技术的突破，而是依赖于对系统内所有微小环节的精细调控。阅读它，就像是获得了一份秘密的、关于如何将理论推导转化为可靠工程产品的“内部指南”。它无疑是当前该领域内，一本极具权威性和实用价值的参考书，值得所有相关专业人士深入钻研。

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说实话，我拿到这本书的时候，心里其实是抱着一丝怀疑的态度的，毕竟市面上关于能源技术新书太多，真正能提供干货的凤毛麟角。但是，这本聚焦于“持久性与性能”的书，真正做到了“言出必行”。它最让我欣赏的一点，是它毫不避讳地探讨了工业界和实验室之间存在的巨大鸿沟。我们总是在论文里看到突破性的效率数据，可一旦放大到实际应用场景，寿命就成了最致命的短板。这本书极其坦诚地剖析了这种“性能陷阱”是如何形成的，从电极微观形貌的退化，到电解质膜的水管理失衡，每一个环节的描述都直指问题的核心。最让我眼前一亮的是，它提供了一套系统化的、用于预测长期耐久性的数学模型框架。虽然模型的具体应用需要读者具备一定的数学功底，但作者对其背后的物理意义的阐释非常到位，使得即便是偏向应用层面的工程师，也能理解如何在自己的设计中运用这些预测工具来规避潜在的风险。这本书没有提供廉价的“快速修复”方案，而是提供了一套构建持久系统的底层逻辑，这份严谨性，在当前浮躁的技术圈子里，显得尤为珍贵。

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