燃料電池基礎(06044)

燃料電池原理

第1章　燃料電池簡介

1.1　什麼是燃料電池

1.2　一個簡單的燃料電池

1.3　燃料電池的優點

1.4　燃料電池的缺點

1.5　燃料電池的種類

1.6　燃料電池的基本工作流程

1.7　燃料電池性能

1.8　特性評估與模擬

1.9　燃料電池技術

1.10 燃料電池與環境

1.11 本章摘要

習　題

第2章　燃料電池熱力學

2.1　熱力學回顧

2.1.1　什麼是熱力學

2.1.2　內能(internal energy)

2.1.3　熱力學第一定律

2.1.4　熱力學第二定律

2.1.5　熱力學勢能

2.1.6　莫耳量(molar quantities)

2.1.7　標準態(standard state)

2.1.8　可逆性(reversibility)

2.2　燃料的熱勢能：反應焓

2.2.1　反應焓(reaction enthalpies)的計算

2.2.2　焓的溫度相關性

2.3　燃料的做功勢能：吉布斯自由能

2.3.1　吉布斯自由能計算

2.3.2　吉布斯自由能與電能的關係

2.3.3　吉布斯自由能與反應自發性之間的關係

2.3.4　吉布斯自由能與電壓的關係

2.3.5　標準電極電動勢：可逆電壓的計算

2.4　非標準狀態條件下燃料電池可逆電壓的預測

2.4.1　可逆電壓隨溫度的變化

2.4.2　可逆電壓隨壓力的變化

2.4.3　可逆電壓隨濃度的變化：能斯特方程式

2.4.4　濃差電池(Concentration Cells)

2.4.5　小結

2.5　燃料電池的效率

2.5.1　理想可逆燃料電池的效率

2.5.2　真實的燃料電池效率

2.6　本章摘要

習　題

第3章　燃料電池反應動力學

3.1　電極動力學(electrode kinetics)的介紹

3.1.1　電化學反應不同於化學反應

3.1.2　電化學過程是異質的

3.1.3　電流是一種與時間有關的速率

3.1.4　總電荷量

3.1.5　電流密度比電流更方便

3.1.6　電動勢或電位決定電子能量

3.1.7　反應速率是有限的

3.2　為何電荷傳送過程會有一個活化能

3.3　活化能決定反應速率

3.4　反應淨速率的計算

3.5　平衡態下的反應速率：交換電流密度(Exchange Current Density)

3.6　平衡條件下的反應電動勢：伽伐尼電動勢

3.7　電動勢和速率：巴特勒－沃爾默(Butler-Volmer)方程式

3.8　交換電流和電催化：如何改善動力學性能

3.8.1　增加反應物濃度

3.8.2　降低活化能障礙

3.8.3　提高反應溫度

3.8.4　增加反應發生的數量

3.9　簡化的活化動力學：泰菲爾方程式(Tafel equation)

3.10　不同燃料電池反應產生不一樣的動力學

3.11　催化劑－電極的設計

3.12　量子力學(Quantum Mechanics)：瞭解燃料電池催化劑的體系3.13　本章摘要

習　題

第4章　燃料電池電荷傳送

4.1　響應力的電荷移動

4.2　電荷傳送導致電壓損失

4.3　燃料電池電荷傳送電阻的特性

4.3.1　電阻隨面積的比例變化

4.3.2　電阻隨厚度的比例變化

4.3.3　燃料電池的電阻可加性

4.3.4　離子(電解質)電阻通常佔主要部分

4.4　導電率的物理意義

4.4.1　電子導體與離子導體

4.4.2　金屬的電子導電率

4.4.3　固態晶體電解質的離子導電率

4.5　燃料電池電解質種類綜述

4.5.1　水溶液電解質／離子液體中的離子傳導

4.5.2　高分子聚合物電解質中的離子傳導

4.5.3　陶瓷電解質中的離子傳導

4.6　關於擴散率和導電率的更多內容(選讀)

4.6.1　擴散率的原子級起源

4.6.2　導電率和擴散率的關係(1)

4.6.3　擴散率和導電率的關係(2)

4.7　為何電驅動力決定電荷傳送(選讀)

4.8　本章摘要

習　題

第5章　燃料電池的質傳

5.1　電極與流場板中的輸送

5.2　電極內的傳送：擴散傳送

5.2.1　驅動擴散的電化學反應

5.2.2　限制電流密度(Limiting Current Density)

5.2.3　濃度影響能斯特電壓(Nernst Voltage)

5.2.4　濃度影響反應速率

5.2.5　燃料電池濃度損耗結論

5.3　流場板中的傳送：對流傳送

5.3.1　流體力學回顧

5.3.2　流場板流道中的質傳

5.3.3　氣體沿流場流道燃料不足

5.3.4　流場板設計

5.4　本章摘要

習　題

第6章　燃料電池模型

6.1　把元件組合成一個系統：一個基本的燃料電池模型

6.2　一維燃料電池模型

6.2.1　燃料電池中的通量平衡

6.2.2　簡化假設

6.2.3　控制方程式

6.2.4　範例

6.2.5　其他考慮因素

6.3　基於計算流體動力學的燃料電池模型(選讀)

6.4　本章摘要

習　題

第7章　燃料電池基本特性

7.1　我們關注哪些基本特性

7.2　基本特性技術總論

7.3　現場電化學基本特性測試技術

7.3.1　基本的電化學變數：電壓、電流和時間

7.3.2　基本的燃料電池測試平台基本要求

7.3.3　電流－電壓測量

7.3.4　電化學阻抗譜法(EIS)

7.3.5　電流中斷測量

7.3.6　迴圈伏安法

7.4　非現地測試技術

7.4.1　孔隙率的測定

7.4.2　BET表面積的測定

7.4.3　氣體滲透性

7.4.4　結構測定

7.4.5　化學測定

7.5　本章摘要

習　題

第二部分　燃料電池技術

第8章　燃料電池類型概述

8.1　引言

8.2　磷酸燃料電池

8.3　高分子聚合物電解質膜的燃料電池(PEMFC)

8.4　鹼性燃料電池(AFC)

8.5　熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)

8.6　固態氧化物燃料電池(SOFC)

8.7　總結

8.8　本章摘要

習　題

第9章　燃料電池系統介紹

9.1　燃料電池堆(燃料電池次系統)

9.2　熱管理次系統

9.3　燃料運送／處理次系統

9.3.1　氫氣的儲存

9.3.2　使用一種氫載