低溫燃料電池：快速商業化技術（簡體書）

《低溫燃料電池：快速商業化技術》全面詳細闡述了快速進入商業化的低溫燃料電池技術，重點介紹聚合物電解質燃料電池。書中首先簡要描述燃料電池發展歷史及其商品和示範產品的應用和市場；接著詳細闡述質子交換膜燃料電池組件和構建材料（聚合物膜、催化劑、氣體擴散層、雙極板等），以及組件的製造技術、商業化挑戰及其解決技術；最後介紹了新概念低溫燃料電池（可逆再生燃料電池、微生物燃料電池、直接液體燃料電池和直接固體燃料電池）。本書可作為從事能源、電源電力、材料、化學化工，特別是燃料電池研發、設計和工程技術人員、管理人員的參考資料，也可供高等院校能源、電源電力、材料、化學化工等相關專業研究生、高年級本科生參考學習。

1.從進入商業化的視角較全面介紹的燃料電池技術。2.重點介紹聚合物電解質燃料電池（PEFC）。3.詳細介紹原理、組件和構建材料、全面商業化面臨的挑戰等。

筆者愛做夢，一個催化工作者的夢。追夢是一大樂趣。夢想的實現需要持之以恒的付出。筆者自從上海師範大學特聘教授退下來的2010年開始，堅持以每天2000字的節拍，竟然完成了催化基礎和應用的460萬字的7本書的寫作出版。
筆者與燃料電池也是有緣分的。在20世紀80年代末和90年代初，於中國科學院煤炭化學研究所籌建“煤轉化國家實驗室”的遠期計劃中就寫上了要開展燃料電池研究；作為第一屆實驗室主任身體力行，讓研究生開展超細粒子技術制備固體電解質氧化鈣穩定氧化鋯的研究，結果令人鼓舞。後來在浙江大學工作期間，有機會繼續與研究生和國內訪問學者一道從事中溫固體氧化物電解質的制備和研究。21世紀初，應臺灣大學的邀請，筆者帶一位博士後到臺灣繼續做中溫固體氧化物燃料電池電解質材料的制備研究。因此，對燃料電池技術有著某種偏愛和熱衷，一直關心其發展。直到幾年前，在收集和閱讀燃料電池最新文獻中，由於國外一作者對我國燃料電池企業存在的疏忽和漠視才激起了筆者編寫有關燃料電池技術書籍的衝動和欲望，這得到了化學工業出版社的大力支持並予以正式立項。鑒於過去20多年的累積和少量制備研究經驗，再加上近2～3年中大量閱讀有關燃料電池資料和文獻，特別是近期的文獻，形成了本書的寫作基礎。
燃料電池是建立未來可再生能源體系的關鍵技術之一，是可持續的潔凈電源技術。可廣泛用於固定應用、運輸應用和便攜式應用的廣泛領域。燃料電池發展歷史已經超過200年，經歷了多次高潮和低潮。由於科學家和工程技術人員的努力研究，在燃料電池不同領域取得一個又一個的突破，到21世紀已經進入場地試驗和商業化。但燃料電池仍然有一些技術障礙需要解決，特別是成本和耐用性問題。
目前國內已經有一些介紹低溫質子交換膜燃料電池和高溫的固體氧化物燃料電池的書籍，通常都是介紹燃料電池一般技術概念、組件材料和應用，側重於燃料電池的某一個領域。對燃料電池進入商業化階段的技術狀態似乎沒有足夠的重視，於是更堅定筆者把著眼點放在商業化發展階段的燃料電池技術，試圖從進入商業化的視角較全面地介紹燃料電池技術。由於燃料電池有多種類型，是綜合技術，涉及多個領域和多方面的內容，如燃料電池的應用市場和商業化產品、燃料電池主要部件和材料，以及製造技術和應用潛力、面對的挑戰等。撰寫進入商業化燃料電池技術原打算包括最重要兩類燃料電池，即低溫［聚合物電解質燃料電池（PEFC）］和高溫燃料電池［固體氧化物燃料電池（SOFC）］。沒有料想到，內容意想不到的豐富，因此，作者改變初衷，打算撰寫燃料電池三部曲：《低溫燃料電池：快速商業化技術》（重點是PEFC）、《固體氧化物燃料電池技術》和《氫：化學品、能源和能量載體》，本書是其中的第一部，介紹了進入商業化的低溫聚合物電解質燃料電池技術。
全書分為九章。在緒論中，不僅簡要介紹燃料電池發展的200多年歷史和燃料電池發展的主要推動力，還介紹了我國的燃料電池技術發展情況。
第2章，對燃料電池操作的基礎知識做了介紹，包括主要類型、操作原理、特徵特色以及燃料電池熱力學原理和不同類型燃料電池間的比較。重點對質子交換膜燃料電池（PEMFC）的電化學原理、單元池與電池堆和電池系統以及參數影響等做了介紹和討論。
接下來的兩章詳細介紹燃料電池的實際應用。
第3章，在詳細介紹燃料電池應用的快速增長和重要應用領域，以及能夠與熱引擎和電池競爭的各類型燃料電池的商業化發展後，較為詳細介紹了燃料電池在便攜式電子設備（手機、平板計算機、收音機、攝像機、電動玩具、工具、遙控器和應急燈等）中的應用，以及生產便攜式燃料電池產品的主要國際公司。再詳細介紹作為電源的各種固定應用，如應急電源（EPS）或不間斷電源（UPS）、偏遠地區的電力系統（RAPS）以及生產這些燃料電池產品的工業企業。特別詳細介紹了在與各種熱電產品競爭中快速發展的燃料電池熱電聯產（FC CHP）和冷熱電三聯產（FC CCHP）商業化產品以及生產這些產品的主要公司，尤其是微熱電聯產產品及生產廠家。最後介紹燃料電池與其他發電技術的集成以提高燃料的利用效率，降低溫室氣體排放。
第4章，詳細介紹燃料電池在運輸部門的應用，重點是在車輛中的應用，包括輕載燃料電池車輛、重載燃料電池車輛、氫燃料電池大客車及其在各個國家的發展。也介紹了重要燃料電池公司如Ballard和汽車製造商如德國的Daimler、美國的Ford和GM、日本的Toyota和Honda、韓國的Hyundai及中國公司在發展燃料電池汽車中做出的貢獻以及它們生產銷售的燃料電池汽車。燃料電池在船舶推進、航空器中的應用，以及燃料電池作為輔助功率單元（APU）也做了較詳細介紹。
在接下來的三章詳細介紹低溫聚合物電解質燃料電池的組件，特別是膜電極裝配體（MEA）及其構建材料。
第5章，詳細介紹應用於MEA的聚合物電解質膜（PEM）材料，以及它們應滿足的一些性質，如尺寸穩定性、優良的物理化學耐用性、電子傳導絕緣性和高質子電導率等，以及它們的特點、弱點和制備改性技術。介紹的聚合物膜有：有機聚合物膜、陶瓷聚合物膜、有機-無機復合聚合物膜。在最重要的有機聚合物膜材料中，對全氟化離子交聯聚合物如普遍使用的Nafion、部分氟化聚合物、非氟化聚合物（包括烴類）、非氟化（包括烴類）復合物、有芳烴骨架的非氟化膜和酸堿復合物，都進行了討論和敘述。除陽離子交換膜外也介紹了陰離子交換膜。
第6章，深入地介紹了MEA中的陽極催化劑、陰極催化劑、載體材料，及其制備改性方法。為提高鉑基催化劑性能，深入探討了合金化、結構形貌控制以及特殊形狀如中空、納米結構薄膜催化劑的制備和試驗。對非鉑催化劑和一維催化劑的發展也做了敘述。對燃料電池的催化劑載體，主要對碳載體做了詳細介紹，包括炭黑、各種形態碳材料如碳納米管、石墨烯、碳納米纖維、介孔碳等。對非碳載體也做了介紹。
第7章，討論了雙極板（BP）和氣體擴散層材料及燃料電池設計製造技術。介紹了製造BP板用熱固性和熱塑性聚合物及其填充劑和加工方法。接著介紹金屬雙極板，主要是不銹鋼及其防腐塗層材料和製造的衝壓和液壓方法。然後討論雙極板的設計和製造，包括材料選擇和製造技術。對燃料電池核心部件膜電極裝配體（MEA）的設計裝配和製造做了較詳細敘述，涉及膜、催化劑層、氣體擴散層的設計和製作以及MEA的製造技術。最後介紹聚合物電解質燃料電池的裝配和製造，內容包括MEA、流動場板、氣體擴散層、裝配壓縮工藝（包括模塊化壓縮）及其影響參數等。對燃料電池性能標準的一些常用方法也做了簡要介紹。
第8章專門敘述聚合物電解質燃料電池面對的主要挑戰，包括高成本、低耐用性、不完善的氫公用設施和商業化壁壘。對聚合物電解質膜燃料電池進行了成本分析，指出降低MEA和工廠平衡（BOP）設備成本的重要性。並對為降低燃料電池成本和增加其耐用性在燃料電池材料和組件發展中取得的進展進行了介紹，包括緩解低溫燃料電池與水管理相關降解和高溫質子交換膜燃料電池降解的方法。
在最後的新概念燃料電池一章中，主要介紹了四種新概念燃料電池：①可逆再生燃料電池，重點是整體集成再生質子交換膜燃料電池（UR-PEMFC）和整體再生固體氧化物燃料電池（UR-SOFC）；②微生物燃料電池及其在利用污水有機物（廢物）產生電力和氫中的應用；③直接液體燃料電池，包括直接乙醇、乙二醇、甲酸鹽和硼氫化物燃料電池；④直接固體燃料燃料電池，也即直接碳燃料電池，內容包括類型、工作原理、單一電池性能和新體系設計。
衷心感謝中科合成油技術股份有限公司、浙江大學催化研究所和浙江新和成股份有限公司的朋友在寫作過程中給予的關心、幫助和支持；同時感謝浙江大學化學系資料室在文獻資料收集中給予的方便和幫助；也感謝在資料收集和寫作過程中家人給予的幫助、支持和理解。
由於筆者本人的水平和經驗所限以及時間相對倉促，不足之處在所難免，敬請同行專家學者以及廣大讀者批評指正，不勝感謝。

陳誦英
於浙江大學西溪校區

第1章 緒論 001
1.1 能源資源利用及發展趨勢 002
1.1.1 能源資源 002
1.1.2 全球能源需求和消費 003
1.1.3 能源資源利用歷史趨勢 005
1.1.4 零碳能源 006
1.2 全球能源革命 006
1.3 可持續的能源技術 008
1.4 氫能源和氫經濟概念 011
1.4.1 氫燃料和氫經濟概念 011
1.4.2 氫經濟的推動力 013
1.4.3 氫經濟研究發展的國際合作 013
1.5 中國氫經濟 014
1.5.1 中國氫經濟發展主要推動力 016
1.5.2 中國氫能源發展總體目標、技術路線和優勢 018
1.5.3 中國氫經濟發展預測 019
1.5.4 中國能源低碳化發展任重道遠 020
1.6 能量轉換技術與氫燃料電池 020
1.6.1 氫燃料和燃料電池 021
1.6.2 能量轉換技術及其比較 022
1.7 燃料電池發展200年 026
1.8 燃料電池技術在中國 030
1.8.1 資金支持 030
1.8.2 中國燃料電池研發簡史 031
1.8.3 燃料電池發展示範 032
1.8.4 中國燃料電池應用領域 033
1.9 中國燃料電池發展展望 037

第2章 燃料電池技術基礎 042
2.1 概述 042
2.2 燃料電池的主要類型 044
2.2.1 堿燃料電池（AFC） 044
2.2.2 磷酸燃料電池（PAFC） 045
2.2.3 固體氧化物燃料電池（SOFC） 047
2.2.4 熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC） 048
2.2.5 質子交換膜燃料電池（PEMFC） 049
2.2.6 直接甲醇燃料電池（DMFC） 051
2.2.7 小結 053
2.3 燃料電池特徵和特色 057
2.3.1 降低有害污染物排放 058
2.3.2 高效率 058
2.3.3 模塊化 059
2.3.4 快速負荷跟隨 059
2.3.5 安靜性質 060
2.3.6 應用範圍廣和燃料靈活性 060
2.3.7 高成本 060
2.3.8 低耐用性 061
2.3.9 氫公用基礎設施 061
2.3.10 水平衡 061
2.3.11 伴生負荷 062
2.4 不同燃料電池技術的比較 062
2.4.1 燃料電池技術特徵比較 062
2.4.2 燃料電池應用 064
2.5 氫燃料電池熱力學分析 065
2.5.1 燃料電池反應熱力學 065
2.5.2 燃料電池中的不可逆性 068
2.6 PEMFC氫燃料電池的電化學原理 069
2.6.1 引言 069
2.6.2 氫燃料電池可逆效率 070
2.6.3 可逆電壓 071
2.6.4 反應物流速的影響 073
2.6.5 燃料電池的極化 074
2.6.6 燃料電池系統效率 081
2.6.7 燃料電池系統評價因子 082
2.7 單元池、電池堆和電池系統 082
2.7.1 單元池 082
2.7.2 電池堆 086
2.7.3 燃料電池系統 088
2.8 燃料電池操作條件影響 097
2.8.1 引言 097
2.8.2 控制水量和增濕的方法 098
2.8.3 冷卻方式 100
2.8.4 反應物氣體濕度對池性能的影響 101
2.8.5 入口氣體溫度的影響 104
2.8.6 操作溫度效應 106
2.8.7 氧分壓（氧化劑類型）效應 108

第3章 燃料電池的應用和市場Ⅰ：便攜式應用和固定應用 109
3.1 概述 109
3.1.1 能量轉換裝置 112
3.1.2 燃料電池與熱引擎和電池間的競爭 112
3.1.3 燃料電池分類和世界主要發展商 112
3.2 燃料電池的應用領域 113
3.2.1 引言 113
3.2.2 2008～2012年間燃料電池市場的增長 115
3.3 燃料電池便攜式應用 118
3.4 燃料電池固定應用—分布發電單元（DG） 122
3.4.1 引言 122
3.4.2 燃料電池固定應用的商業化發展 123
3.4.3 各類燃料電池DG應用的商業化發展 124
3.5 燃料電池固定應用：應急電源和偏遠地區電力系統 131
3.5.1 應急電源（EPS）或不間斷電源（UPS） 131
3.5.2 偏遠地區電力系統（RAPS） 133
3.6 燃料電池微CHP及其應用 134
3.6.1 熱電聯產（CHP）技術 134
3.6.2 商業可利用的燃料電池微CHP產品 140
3.7 燃料電池CHP系統 143
3.7.1 引言 143
3.7.2 燃料電池CHP分類和組件 144
3.7.3 燃料電池與CHP 146
3.7.4 CHP（FC-CHP）在不同部門中的應用 147
3.7.5 燃料電池CHP的優缺點 150
3.7.6 FC-CHP系統的缺點 154
3.8 FC-CHP系統現狀 155
3.8.1 引言 155
3.8.2 FC-CHP在亞洲的發展 156
3.8.3 FC-CHP在歐洲的發展 158
3.8.4 FC-CHP系統在美洲的發展 159
3.8.5 FC-CHP在南非的發展 159
3.8.6 FC-CHP系統在澳大利亞的發展 159
3.9 FC-CHP系統的操作和成本 160
3.9.1 引言 160
3.9.2 耐用性和系統壽命 161
3.9.3 啟動時間 163
3.9.4 性能降解 163
3.9.5 瞬時應答特性和優化操作時間 163
3.9.6 FC-CHP系統的成本 163
3.9.7 運行成本 165
3.10 燃料電池三聯產系統（FC-CCHP） 165
3.10.1 引言 165
3.10.2 FC-CCHP系統的應用 168
3.11 燃料電池與其他發電裝置的集成 170
3.11.1 引言 170
3.11.2 SOFC與氣體透平組合 172
3.11.3 SOFC與蘭開夏循環集成 174
3.11.4 燃氣透平（CT）與SOFC的組合 175
3.11.5 SOFC組合技術在船舶上的應用 176

第4章 燃料電池的應用和市場Ⅱ：運輸應用 178
4.1 概述 178
4.1.1 引言 178
4.1.2 燃料電池在運輸部門的應用 179
4.1.3 燃料電池運輸應用的商業化發展 181
4.2 電動車輛 185
4.2.1 引言 185
4.2.2 車輛分類 186
4.3 輕型燃料電池牽引車輛（LTV） 192
4.4 輕載燃料電池電動車輛（L-FCEV） 195
4.4.1 一般描述 195
4.4.2 排放降低 198
4.4.3 氫燃料 198
4.5 重載燃料電池電動車輛（H-FCEV） 201
4.5.1 引言 201
4.5.2 H-FCEV的發展實例 204
4.5.3 FCEV成本 205
4.6 氫燃料電池大客車的發展和示範試驗 205
4.6.1 引言 205
4.6.2 電動大巴技術概述 206
4.6.3 電動大巴市場趨勢 207
4.6.4 燃料電池電動大巴在各國的發展簡況 208
4.6.5 美國燃料電池大巴 210
4.6.6 歐洲燃料電池大巴 213
4.6.7 加拿大燃料電池大巴 215
4.6.8 電動大巴的性能特色 219
4.6.9 燃料電池大巴（FCEB）的成就和挑戰 224
4.7 燃料電池車輛中的燃料電池和氫燃料問題以及計劃目標 225
4.7.1 燃料電池技術 225
4.7.2 氫公用基礎設施 229
4.7.3 計劃和目標 231
4.8 燃料電池在航空器中的應用 233
4.9 燃料電池應用於船舶推進 235
4.9.1 引言 235
4.9.2 船上應用燃料電池的項目和研究 235
4.9.3 潛艇 241
4.9.4 船舶用燃料電池 243
4.10 燃料電池輔助功率單元 244
4.10.1 對輔助功率單元的需求 244
4.10.2 燃料電池輔助功率單元市場應用分析 246
4.10.3 SOFC輔助功率單元樣機 252
4.10.4 高溫PEMFC燃料電池輔助功率單元（HT-PEMFC APU） 254

第5章 PEFC材料和製造Ⅰ：聚合物電解質 257
5.1 概述 257
5.1.1 聚合物電解質燃料電池 257
5.1.2 聚合物電解質膜 258
5.1.3 中低溫燃料電池聚合物電解質膜分類 260
5.2 聚合物電解質膜材料 261
5.2.1 全氟磺酸離子交聯聚合物 261
5.2.2 部分氟化聚合物 265
5.2.3 非氟化聚合物 266
5.2.4 聚合物摻合物 267
5.2.5 無水聚合物—酸堿復合物 268
5.2.6 聚合物電解質膜的質子電導率 269
5.2.7 可替代Nafion的聚合物電解質膜小結 270
5.2.8 聚合物電解質膜的基礎研究 271
5.3 中溫和低濕度磺化烴類膜 272
5.3.1 引言 272
5.3.2 高性能磺化烴類PEM 274
5.3.3 磺化烴類PEM的物理化學調變 280
5.3.4 表面改性—氟化PEM 283
5.3.5 熱退火 285
5.4 高溫酸摻雜PBI電解質膜 287
5.4.1 引言 287
5.4.2 PBI基高溫PEMFC 288
5.4.3 高溫操作HT-PEMFC的主要優缺點 288
5.4.4 PBI聚合物膜 289
5.4.5 酸摻雜聚苯並咪唑膜 290
5.4.6 PBI的合成和改性 291
5.4.7 PBI膜的製作和改性 292
5.4.8 PBI膜燃料電池初步性能 293
5.4.9 酸堿絡合物膜 293
5.5 陶瓷PEM膜材料 295
5.6 PEM中的質子傳導機理 296
5.7 復合物質子交換膜 297
5.7.1 引言 297
5.7.2 聚合物復合物膜的概念和設計 302
5.7.3 聚合物復合物膜的材料 305
5.7.4 有機-無機納米復合物PEM的制備 311
5.7.5 不同類型聚合物復合物膜 315
5.7.6 聚合物復合膜小結 324
5.8 陰離子交換膜材料 325
5.8.1 引言 325
5.8.2 SAFC對陰離子交換膜的要求 327
5.8.3 陰離子交換膜 327
5.8.4 AAEMFC應用要解決的問題 329

第6章 PEFC材料和製造Ⅱ：催化劑和載體 332
6.1 概述 332
6.2 鉑基催化劑 333
6.2.1 引言 333
6.2.2 單Pt電催化劑 334
6.2.3 Pt催化劑上HOR和ORR的機理 335
6.2.4 影響Pt催化劑性能的因素 336
6.3 Pt合金催化劑 338
6.4 Pt基催化劑的結構形貌控制 340
6.4.1 粒子大小效應 340
6.4.2 粒子形貌效應 341
6.5 核殼結構催化劑 346
6.5.1 核殼結構和應變效應 346
6.5.2 單一金屬納米粒子作為核材料 346
6.5.3 金屬合金納米核材料 347
6.6 中空結構納米粒子催化劑 349
6.6.1 引言 349
6.6.2 Pt中空納米粒子 349
6.6.3 合金中空納米粒子 350
6.7 納米結構薄膜催化劑 352
6.7.1 引言 352
6.7.2 納米結構薄膜催化劑和MEA的制備 355
6.7.3 NSTF和Pt/C型MEA的比較 355
6.7.4 3M納米結構薄膜催化劑層的特色和挑戰 358
6.7.5 催化劑層組分和結構的優化 359
6.8 非鉑催化劑 362
6.8.1 引言 362
6.8.2 過渡金屬絡合物催化劑 363
6.8.3 酞菁配體過渡金屬大環催化劑 364
6.8.4 卟啉配體過渡金屬大環催化劑 368
6.8.5 其他大環配體過渡金屬大環催化劑 370
6.8.6 碳混雜物作為堿燃料電池中ORR電催化劑 371
6.8.7 小結 372
6.9 一維納米結構電催化劑 374
6.9.1 引言 374
6.9.2 PEMFC應用1D納米結構的優點 374
6.9.3 PEMFC應用的1D納米結構催化劑制備 375
6.9.4 1D納米結構催化劑的發展 376
6.9.5 烴類氧化反應的1D 納米結構催化劑 381
6.9.6 1D Pt基納米結構PEMFC電極 386
6.9.7 1D納米結構催化劑小結 388
6.10 電催化劑碳載體材料 389
6.10.1 引言 389
6.10.2 炭黑 391
6.10.3 納米結構碳材料 393
6.10.4 碳載體與催化劑間的相互作用 401
6.10.5 載體材料的選擇標準 403
6.11 非碳和金屬氧化物載體 404
6.11.1 引言 404
6.11.2 金屬氧化物載體 404
6.11.3 Ti化合物載體 405
6.11.4 含錫化合物 407
6.11.5 二氧化硅 408
6.11.6 鎢化合物 409
6.11.7 硫酸氧鋯 410
6.11.8 導電聚合物 410
6.11.9 混合載體 411
6.11.10 小結 412

第7章 PEFC材料和製造Ⅲ：BP和燃料電池設計製造技術 413
7.1 碳基材料雙極板 413
7.1.1 引言 413
7.1.2 雙極板用聚合物 414
7.1.3 成型方法 415
7.1.4 填充劑 416
7.1.5 聚合物復合物BP的性質 419
7.2 金屬雙極板 421
7.2.1 引言 421
7.2.2 不銹鋼BP材料 424
7.2.3 不銹鋼的塗層 424
7.2.4 非鐵合金和塗層 427
7.2.5 金屬BP的成型—衝壓和液壓 428
7.2.6 金屬BP的離子污染 430
7.2.7 小結 431
7.3 雙極板設計和製造 432
7.3.1 雙極板設計 432
7.3.2 雙極板材料選擇 435
7.3.3 雙極板製造 438
7.3.4 碳基復合物BP的製作 441
7.4 多孔氣體擴散層（GDL） 442
7.4.1 大孔基質（MPS） 442
7.4.2 微孔層（MPL） 443
7.4.3 MPL組件和制備模式 443
7.4.4 氣體和液體水在GDL（MPL和MPS）中的傳輸 444
7.5 MEA設計裝配和製造 444
7.5.1 引言 444
7.5.2 MEA設計 446
7.5.3 MEA製造 452
7.6 PEFC裝配和製造 458
7.6.1 引言 458
7.6.2 膜電極裝配體 459
7.6.3 流動場板 459
7.6.4 氣體擴散層 461
7.6.5 裝配壓縮效應 463
7.6.6 影響裝配壓縮的因素 468
7.6.7 裝配壓縮對性能參數的影響 469
7.6.8 池堆壓縮的方法 473
7.6.9 壓縮裝配小結 476
7.7 燃料電池性能測試表征 476
7.7.1 極化曲線 477
7.7.2 阻抗譜 477
7.7.3 電流截斷方法 479
7.7.4 伏安法 480
7.7.5 其他原位測量技術 481
7.7.6 離位表征 481
7.7.7 加速老化試驗 484

第8章 聚合物電解質燃料電池技術面對的挑戰 488
8.1 概述 488
8.1.1 引言 488
8.1.2 燃料電池工業的現時狀態 490
8.1.3 未來目標 491
8.1.4 條碼、標準、安全和公眾醒悟 494
8.2 燃料電池面對的主要挑戰 494
8.2.1 高成本 494
8.2.2 低耐用性 495
8.2.3 氫公用設施 495
8.2.4 商業化壁壘 495
8.3 PEMFC成本的綜合分析 497
8.3.1 引言 497
8.3.2 成本分析類型 498
8.3.3 膜和催化劑成本降低對PEMFC成本的重要性 501
8.3.4 小結 503
8.4 燃料電池材料和組件進展 504
8.4.1 引言 504
8.4.2 聚合物電解質膜 505
8.4.3 催化劑層 508
8.4.4 PEMFC的先進性能 516
8.4.5 PEMFC的耐用性 517
8.4.6 池堆 517
8.4.7 組件降解和緩解方法小結 518
8.5 關係到水管理的降解和緩解方法 519
8.5.1 引言 519
8.5.2 PEMFC中的水平衡 520
8.5.3 水分布和傳輸 520
8.5.4 水保留和累積 525
8.5.5 緩解策略（對水保留和累積引起的降解） 531
8.5.6 在PEMFC中的水傳輸 535
8.5.7 水管理小結 537
8.6 直接甲醇燃料電池的耐用性和恢復技術 538
8.6.1 引言 538
8.6.2 DMFC操作耐用性的現時狀態 538
8.6.3 在DMFC長期操作期間的性能降解 540
8.6.4 性能恢復技術 548
8.6.5 DMFC性能降解和恢復技術小結 550
8.7 高溫PEMFC的降解和緩解技術 551
8.7.1 引言 551
8.7.2 HT-PEMFC的降解和緩解 553
8.7.3 操作條件引起的降解和緩解 557
8.7.4 原位診斷作為緩解技術 560
8.7.5 HT-PEMFC降解和緩解技術小結 561

第9章 新概念燃料電池 562
9.1 可逆再生燃料電池 563
9.1.1 引言 563
9.1.2 整體再生質子交換膜燃料電池（UR-PEMFC） 569
9.1.3 固體氧化物電解池SOEC和可再生固體氧化物燃料電池（RSOFC） 579
9.2 微生物燃料電池 581
9.2.1 引言 581
9.2.2 微生物燃料電池的設計 583
9.2.3 MFC中的生物陰極 586
9.2.4 微生物燃料電池性能 588
9.2.5 MFC的應用 589
9.2.6 MFC的未來 591
9.3 微生物燃料電池處理污水 591
9.3.1 引言 591
9.3.2 污水處理過程的能量消耗和回收 592
9.3.3 MFC優勢和原理 595
9.3.4 MFC移去有機物質 598
9.3.5 MFC移去營養物質 600
9.3.6 MFC移去金屬 601
9.3.7 源分離 602
9.3.8 現時的挑戰和潛在的機遇 603
9.4 微生物電解池 606
9.4.1 可持續處理廢水的微生物電解池 606
9.4.2 電極、膜和反應器構型 607
9.4.3 實驗室或半中試規模MEC用於污水處理 610
9.4.4 中試規模MEC處理WW 613
9.4.5 經濟和環境考慮 614
9.4.6 MEC使用展望：挑戰和未來前景 616
9.5 直接液體燃料電池 618
9.5.1 引言 618
9.5.2 直接乙醇燃料電池 621
9.5.3 直接乙二醇燃料電池 627
9.5.4 直接甲酸鹽燃料電池 631
9.5.5 直接硼氫化物燃料電池 638
9.6 直接固體燃料電池 641
9.6.1 引言 641
9.6.2 直接碳燃料電池 642
9.6.3 DCFC基礎描述 643
9.6.4 熔融氫氧化物DCFC 643
9.6.5 熔融碳酸鹽DCFC 645
9.6.6 氧離子傳導DCFC 646

參考文獻 652

附錄 662