燃料電池：事實與數據（簡體書）

本書由國際知名的燃料電池專家編寫而成，基於燃料電池領域的前沿成果，從材料、系統、性能、安全、壽命、成本等方面對燃料電池在移動式和固定式應用領域的發展現狀進行了論述，並對相關示範、市場、法規和標準進行了綜合介紹。書中數據豐富，涵蓋了中國、歐洲、美國、韓國、日本等國家和地區在燃料電池領域取得的成果及應用現狀。
本書可供汽車、氫能、燃料電池及相關產業的研究人員參考使用，也可作為相關產業管理者及決策者的數據參考用書。

德特勒夫·施托爾滕（Detlef Stolten），德國於利希研究中心電化學過程工程研究所主任。Stolten教授主要從事SOFC和PEFC系統相關的研究，比如電化學、堆疊技術、過程處理、系統工程以及分析。
趙英汝，廈門大學能源學院教授，能效工程研究所所長。主要研究圍繞複雜能源系統的多尺度模擬和優化展開，側重於對低碳技術和系統進行建模、分析與優化集成，綜合系統能效、經濟性和排放特性等因素對系統的整體性能進行評估，探尋能源體系的優化設計和運行方案。具體工作涉及能源互聯網、智能城市、區域能源規劃、化工動力多聯產、超臨界二氧化碳布雷頓循環、燃料電池混合發電等工程應用研究。

1.原版書由德國於利希中心Detlef Stolten教授等領銜編寫，涉及中國、歐洲、美國、日本、韓國等多國在燃料電池領域的進展。
2.中譯本由廈門大學能源學院能源系統工程團隊相關學者合作而成。
3.本書從材料、性能、安全、壽命、成本等方面對燃料電池在移動式和固定式應用領域的發展現狀進行論述，並對相關示範、市場、法規和標準進行綜了合介紹。

譯者前言
燃料電池是一種直接將燃料的化學能轉換為電能的電化學裝置，因其高效、清潔、供能靈活等優勢，成為國內外研究開發的熱點。得益於政府支持，燃料電池行業發展迅速，但受限於成本和使用壽命，短時間內難以大規模商業化。
本書是關於燃料電池技術的專業性論著，匯集了國際知名的燃料電池專家的科研成果，從材料、性能、安全、壽命、成本等方面對燃料電池在移動式和固定式應用領域的發展現狀進行了論述，並對相關示範、市場、法規和標準進行了綜合介紹。由於書中數據眾多，且不同國家和地區的標準不同，為避免換算引起的誤差，對於非法定計量單位，本書未做強行統一，而是將相關換算關係附在書後，以供讀者查閱。
本書由廈門大學能源學院能源系統工程團隊相關學者合作翻譯完成，筆者想借此機會感謝參與本書翻譯的每一位譯者，包括詹翔燕、朱興儀、張智能、吳念遠、謝媚娜等，感謝各位譯者的辛苦付出。此外，還要感謝化學工業出版社的精心編校。沒有大家精益求精的努力與合作，這本書的中文版本不可能如此順利地與讀者見面。衷心希望本書能為燃料電池領域的相關學者及研究人員提供參考和幫助。
由於譯者的水平和實踐有限，書中不妥之處敬請廣大讀者批評指正。

趙英汝
2020年6月



前言
近十年來，燃料電池技術取得了實質性的進展。其中，在汽車行業中取得了長足、穩健的發展，燃料電池汽車也隨之投放市場。
現代汽車和豐田汽車研發了世界第一條燃料電池汽車專用生產線。在固定應用領域，燃料電池也開始嶄露頭角，日本還為此部署了超過10萬用戶的住宅體系和便攜式應用的研發工作（後者主要面向細分市場和特定用戶群）。
現階段，系統分析對燃料電池的推廣尤為關鍵。相對於現有技術，燃料電池為我們提供了一個更加清潔、高效的能量轉換解決方案。因此，從性能、壽命和成本方面對燃料電池進行一個比較分析至關重要。
本書總結了燃料電池領域的前沿研究成果，以期較為全面地展現該技術的發展現狀。本書可作為能效分析和/或燃料電池及氫能研究人員的數據參考用書。

第一篇交通運輸領域：推進機理001
Ⅰ基準和標準的定義002
1純電動汽車002
參考文獻009

2乘用車循環工況010
2.1引言010
2.2用於乘用車型式認證的循環工況010
2.3研究項目中的循環工況011
2.4循環工況的特點011
2.5所選循環工況及其圖示014
2.6結論017
參考文獻018

3氫燃料的質量019
3.1引言019
3.2氫燃料020
3.3燃料質量的影響021
3.4燃料電池汽車的燃料質量021
3.5單電池測試021
3.6現場數據022
3.7燃料質量驗證023
3.8結論024
參考文獻025

4燃料消耗026
4.1引言026
4.2制氫026
4.3氫氣包裝027
4.4燃料電池汽車的氫耗028
4.5結論029
參考文獻029

Ⅱ示範項目030
5燃料電池汽車的全球發展現狀030
5.1引言030
5.2汽車製造商的近期動向031
5.3示範項目的關鍵數據和結果032
5.4燃料電池汽車的技術數據037
5.5結論047
參考文獻048

6燃料電池汽車：中國051
6.1引言051
6.2國家研發戰略（2011～2015年）051
6.3國家政策052
6.4已發布的技術標準053
6.5案例展示054
6.6商業化：以上汽汽車為例055
6.7結論056
參考文獻056

7國家特定項目研究成果：韓國057
7.1引言057
7.2燃料電池汽車示範項目057
7.3結論061

8通用HydroGen4：基於雪佛蘭Equinox的燃料電池汽車062
8.1引言062
8.2工藝065
8.3結論070
致謝071
參考文獻071

9國家特定項目研究成果：美國072
9.1引言072
9.2燃料電池電動客車概述072
9.3SunLine先進技術燃料電池電動客車073
9.4海灣地區零排放項目075
9.5SunLine美國燃料電池客車078
9.6結論080
參考文獻080

Ⅲ質子交換膜燃料電池081
10聚合物電解質081
10.1引言081
10.2膜的特性082
10.3結論087
參考文獻087

11質子交換膜燃料電池的膜電極089
11.1引言089
11.2膜電極的基本組成089
11.3膜電極的性能、耐久性和成本指標091
11.4膜電極對外部因素的魯棒性和敏感性094
11.5技術差距095
11.6結論095
參考文獻096

12氣體擴散層098
12.1引言098
12.2多孔基片099
12.3微孔層100
12.4氣體擴散層的特性101
12.5結論102
參考文獻103

13質子交換膜燃料電池雙極板材料104
13.1引言104
13.2復合材料雙極板105
13.3金屬材料雙極板106
參考文獻108

14質子交換膜燃料電池單電池110
14.1引言110
14.2單電池的主要組件110
14.3單電池的裝配112
14.4單電池的性能測試112
14.5結論114
參考文獻114

Ⅳ氫115
15高壓氣態儲氫系統115
15.1引言115
15.2儲氫系統分析116
15.3儲氫系統成本119
15.4結論119
參考文獻120

16金屬氫化物121
16.1作為儲氫介質的金屬氫化物121
16.2金屬氫化物的分類123
16.3金屬氫化物的性能128
參考文獻131

17低溫高壓復合儲氫133
17.1引言133
17.2熱力學原理134
17.3系統設計及運行原則137
17.4驗證與安全140
17.5結論141
參考文獻142

18車載安全143
18.1引言143
18.2高壓容器燃料系統143
18.3氫氣燃料補給要求和安全145
18.4結論147
參考文獻147

第二篇交通運輸領域：輔助動力裝置148
19輔助動力裝置用燃料149
19.1引言149
19.2柴油149
19.3噴氣燃料152
19.4其他燃料154
19.5結論158
參考文獻158

20燃料電池輔助動力裝置的應用要求/目標160
20.1引言160
20.2DOE技術目標161
參考文獻163

21燃料電池的船舶應用164
21.1引言164
21.2可能用於船舶的燃料電池系統165
21.3燃料電池海洋應用項目166
21.4未來系統的發展目標167
21.5結論168
參考文獻168

22輔助動力裝置用燃料的重整技術169
22.1引言169
22.2指南169
參考文獻181

23用於輔助動力裝置的PEFC系統184
23.1引言184
23.2PEFC的重整操作184
23.3應用概念187
23.4系統設計188
23.5系統效率190
23.6系統測試190
23.7結論191
參考文獻191

24高溫聚合物電解質燃料電池193
24.1引言193
24.2單電池和電池堆的操作特性194
24.3系統層級198
參考文獻203

25應用於輔助動力裝置的固體氧化物燃料電池系統：單電池、電池堆和電池系統205
參考文獻211

第三篇固定領域212
26美國固定式燃料電池系統的部署和容量趨勢213
26.1燃料電池備用系統213
26.2燃料電池熱電聯產系統215
參考文獻222

27特定國家報告：日本223
27.1引言223
27.2住宅燃料電池系統銷售的開端223
27.3Ene-Farm市場的發展225
27.4Ene-Farm的技術發展225
27.5針對共管公寓的Ene-Farm銷售情況226
27.6結論226
參考文獻227

28備用電源系統228
28.1引言228
28.2應用及功率等級229
28.3優點229
28.4燃料選擇230
28.5產品參數230
28.6經濟性231
28.7結論231
參考文獻232

29固定式燃料電池：住宅應用233
29.1引言233
29.2關鍵特徵233
29.3技術性能235
29.4經濟地位和市場地位238
29.5結論240
參考文獻240

30固定式燃料電池用燃料243
30.1引言243
30.2天然氣244
30.3沼氣、填埋氣和生物甲烷246
30.4（生物）乙醇248
30.5氫氣249
參考文獻250

31固體氧化物燃料電池：單電池、電池堆及電池系統252
31.1引言252
31.2電池結構與材料253
31.3電池設計255
31.4電池堆概念257
31.5固定應用系統258
31.6性能和耐久性參數259
參考文獻264

第四篇物料處理266
32燃料電池叉車系統267
32.1引言267
32.2叉車分類267
32.3水平揀選叉車的載貨分布268
32.4叉車的能源供應269
32.5系統設置與雜化270
32.6叉車不同推進系統的成本比較272
參考文獻274

33燃料電池叉車在美國的部署276
33.1燃料電池供電的物料搬運設備276
參考文獻282

第五篇燃料供應283
34質子交換膜水電解技術284
34.1引言284
34.2水電解與PEM水電解的文獻分析285
34.3用於PEM水電解的電催化劑285
34.4PEM水電解陽極載體287
34.5用於PEM水電解的膜287
34.6PEM電解中的電堆和系統成本288
34.7PEM電解系統與其競爭技術的比較289
參考文獻291

35電轉氣294
35.1引言294
35.2主要部件和工藝步驟295
35.3H2和CH4的運輸與應用299
35.4試驗工廠的發展現狀300
35.5結論301
參考文獻301

第六篇法規與標準304
36氫安全與RCS（法規、規範和標準）305
36.1引言305
36.2氫安全305
36.3國際氫法規、規範和標準（RCS）的制定308
36.4結論309
參考文獻310

附表非法定計量單位和換算系數311