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本書特色

眾所矚目的新能源！改變人類未來生活的重要技術！
本書完整收錄燃料電池的現在與未來！

　　燃料電池以氫氣取代化石為燃料來發電，可解決能源枯竭的問題，被視為新世代能源；氮氧化物、硫氧化物、二氧化碳這類的環境影響物質排放量稀少，不會造成暖化與環境汙染；不使用機械，而是藉由化學反應來直接發電，運轉安靜穩定，不會製造噪音與振動，可謂環保問題的有效對策。

　　另外，設備簡單小型、發電效率高，被視為汽車動力與3C産品電源的發展趨勢；可利用廢熱進行汽電共生的特色，更使它擁有作為商用、傢用分散型電源的潛力。一場以氫氣為主角的能源革命已然展開！

　　本書運用大量圖解，以淺顯易懂的方式呈現燃料電池的全貌，包括：相關原理、係統構成、氫氣取得、應用領域，以及今後展望等。想瞭解燃料電池這門「夢幻技術」，本書為掌握其基礎知識的最佳捷徑。

監修者簡介

燃料電池開發資訊中心（FCDIC）

　　1986年7月創立，為一非營利組織（NPO），以燃料電池相關技術開發，與燃料電池係統的導入、普及和促進為宗旨。2000年10月1日，以從事燃料電池開發的主要日本企業和機關為中心，由173席法人會員、45席學術會員及23席海外會員（法人及個人）組成。在舉辦研究會、講習會和座談會等活動，以及發行年報、資料集等齣版物之餘，展開燃料電池的開發、實用化及普及之相關事業。

作者簡介

石井弘毅

生於昭和40年，日本神奈川縣人。目前為自由作傢，廣泛於雜誌、網路發錶文章。

譯者簡介

林羿妏

2006年畢業於颱灣大學國際企業學係，目前為兼職口筆譯者。

科技前沿探索：新能源材料與能源轉換技術新視野 圖書名稱： 科技前沿探索：新能源材料與能源轉換技術新視野 圖書定位： 本書旨在為能源科學、化學工程、材料科學及相關領域的研究人員、工程師、高校師生提供一個全麵而深入的視角，聚焦於當前全球能源轉型背景下，極具潛力的前沿能源技術與新型功能材料的最新進展。內容涵蓋從基礎理論到實際應用的廣闊領域，重點探討如何通過材料創新驅動能源轉換效率的革命性提升。 --- 第一部分：先進能源材料的微觀結構與宏觀性能 本部分深入剖析瞭構成未來能源係統的核心——先進功能材料的微觀結構特性及其對宏觀性能的決定性影響。我們不再局限於傳統的半導體或催化劑材料，而是將目光投嚮更具設計性和可控性的新型結構。 第一章：新型儲能載體的晶體缺陷工程 本章詳細闡述瞭如何通過精確控製材料中的點缺陷、綫缺陷和麵缺陷，來調控離子傳輸通道的構築和電子導電網絡的優化。重點分析瞭高熵氧化物、鈣鈦礦結構材料中，陽離子或陰離子空位對電荷載流子遷移率的影響機製。通過計算模擬（如DFT方法）與實驗驗證相結閤，揭示瞭缺陷工程在提升固態電解質離子電導率和電極材料體積穩定性中的關鍵作用。此外，書中還探討瞭界麵缺陷如何成為限製器件性能的瓶頸，並提齣瞭界麵相工程的策略。 第二章：納米尺度下的光電協同效應 本章聚焦於利用量子尺寸效應和錶麵等離激元共振效應，來突破傳統材料的光吸收和電荷分離效率的限製。內容涵蓋瞭量子點、二維納米片（如過渡金屬硫化物、MXenes）的閤成方法學，特彆是“自下而上”和“自上而下”策略的優化。著重分析瞭異質結的構建，例如P-N結、I-I結（絕緣體-絕緣體結）的形成，如何有效地分離光生載流子，減少復閤損失。書中詳細對比瞭不同納米結構（球形、棒狀、片狀）對光捕獲截麵的影響，並討論瞭形貌控製在實現寬光譜吸收中的重要性。 第三章：高穩定性和耐受性的結構設計 針對能源設備在苛刻工作環境（高溫、強酸堿、高壓）下的服役可靠性問題，本章深入探討瞭結構穩定性設計的原理。內容涉及： 1. 熱力學穩定性增強： 通過引入剛性骨架或高鍵能單元，提升材料的分解溫度和相變抗性。 2. 機械魯棒性設計： 針對循環過程中的體積變化問題，引入自修復機製或應力緩衝層（如聚閤物基復閤材料的內嵌支撐），以維持電極與電解質的有效接觸。 3. 抗腐蝕和抗鈍化機製： 探討瞭錶麵保護層（如ALD/CVD技術沉積的超薄氧化物層）在隔離活性物質與腐蝕性電解液方麵的最新進展，以及如何設計具有自鈍化功能的閤金體係。 --- 第二部分：能源轉換與存儲的前沿技術突破 本部分將理論與實際應用緊密結閤，重點介紹瞭當前能源技術領域最具顛覆性的研究方嚮，強調瞭多學科交叉融閤的創新路徑。 第四章：電催化與光催化驅動的水分解技術 本章專注於清潔能源製備——氫能，特彆是水分解製氫的技術瓶頸與突破。 1. 高效析氧反應（OER）與析氫反應（HER）催化劑： 詳細分析瞭銥、釕基非貴金屬催化劑的活性位點調控策略，以及氮化碳、過渡金屬磷化物在堿性介質中的性能優化。書中引入瞭“本徵缺陷活性”的概念，闡述瞭如何通過非金屬摻雜激活惰性材料。 2. 光電化學（PEC）水分解係統集成： 討論瞭半導體光吸收材料與催化劑的有效耦閤，如何實現光生電荷的有效分離與傳輸。重點解析瞭PEC電池的阻抗分析，以及如何降低界麵電荷轉移阻力。 3. CO2還原（CO2RR）的多碳産物選擇性控製： 超越傳統單碳産物生成，本章探討瞭銅基和銀基催化劑在調控C-C耦閤反應中的作用，並提齣瞭基於分子篩限域效應實現高選擇性閤成乙醇或丁醇的潛在路徑。 第五章：固態電解質與界麵相的精確控製 固態電池被認為是下一代高能量密度儲能係統的關鍵。本章的核心在於解決固態電解質與電極之間的界麵阻抗問題。 1. 無機固態電解質的性能優化： 深入對比瞭氧化物（如LLZO、LAGP）和硫化物（如LGPS）體係的離子傳導機製，分析瞭製備過程中的燒結溫度、密度對離子通道的影響。 2. 聚閤物固態電解質的離子溶脹與導電性提升： 探討瞭新型高分子基體（如聚醚類、聚碸類）在與鋰鹽復閤時，如何通過引入“軟區”來促進鋰離子快速傳輸，同時保持良好的機械性能。 3. 電極/電解質界麵工程： 強調瞭界麵層形成時的化學反應和物理接觸不良問題。書中提齣瞭原位沉積緩衝層（如LiPON）和電極預處理技術，以構建低阻抗、高穩定性的固-固界麵。 第六章：熱電材料的塞貝剋效應與能量迴收 本章轉嚮熱能的直接電能轉換——熱電技術。 1. 提高ZT值的多尺度調控策略： 熱電優值ZT由塞貝剋係數（S）、電導率（σ）和熱導率（κ）決定。本章詳細分析瞭如何通過引入納米結構散射聲子來大幅降低晶格熱導率（κL），同時利用能帶工程或缺陷工程提升電子導電性（σ）和塞貝剋係數（S）。 2. 新型熱電材料體係： 涵蓋瞭對碲化物、矽鍺閤金的傳統研究，並重點介紹瞭具有高ZT值的有機/無機雜化材料以及拓撲絕緣體在熱電轉換中的應用潛力。 --- 第三部分：能源係統的集成、建模與未來展望 本部分側重於如何將單一材料和器件的性能提升轉化為係統層麵的效率優化，並展望未來研究的關鍵方嚮。 第七章：能源器件的多物理場耦閤仿真 在設計復雜的能源轉換係統時，必須考慮電化學、熱力學、流體力學等多物理場的相互作用。本章提供瞭先進的建模工具和方法論。 1. 計算流體力學（CFD）在反應器設計中的應用： 如何通過優化流場分布，確保反應物和産物均勻接觸活性位點，避免局部過熱或濃度梯度過大。 2. 電化學阻抗譜（EIS）的解析與等效電路建模： 深入解析EIS數據，區分不同界麵（如電極/電解質、催化劑/載體）的電荷轉移阻抗、歐姆阻抗和擴散阻抗，為器件優化提供定量依據。 3. 係統級能效評估： 討論瞭如何建立從材料到係統（如小型熱電發電機組、PEC反應器）的效率傳遞模型，預測實際工況下的能量損失來源。 第八章：麵嚮可持續性的綠色製造與循環經濟 本章關注能源技術的可持續性，從材料的獲取、製造到生命周期結束的全流程考量。 1. 低環境影響的閤成路徑： 探討瞭使用水相閤成、機械化學研磨（Ball Milling）等低能耗、低溶劑消耗的綠色製備技術。 2. 關鍵稀有金屬的替代與迴收： 分析瞭鉑族金屬、稀土元素在催化劑和功能材料中的依賴性，並詳細介紹瞭從廢舊電池和電子廢棄物中高效迴收鋰、鈷、鎳等金屬的濕法和火法冶金新技術。 3. 生物質能與碳中和技術的前景： 簡要介紹瞭生物質催化轉化技術（如快速熱解、氣化）與碳捕集封存（CCS）技術的協同發展路徑，以構建負排放的能源閉環係統。 總結： 《科技前沿探索：新能源材料與能源轉換技術新視野》匯集瞭多個關鍵領域的前沿成果，強調瞭材料科學的創新性在解決全球能源挑戰中的核心地位。本書為讀者提供瞭係統性的理論框架和最新的實驗指導，是推動下一代高效、可持續能源技術發展的必備參考書。

1、燃料電池是什麼？

燃料電池受矚目的理由∕新能源主角∕燃料電池不是「電池」嗎？∕藉由化學反應來發電，因此效率高∕環保問題的有效解決對策∕實際上排齣之環境影響物質也非常稀少∕二氧化碳的排放可減少一半以上∕可導入的領域極為廣泛∕可利用燃料種類多元，緊急時也可照常應用∕200年前便已發現燃料電池的原理∕由太空開始應用∕日本的開發進展∕在世界上得到的認知正在升高∕專欄──燃料電池是韆禧年計畫

2、燃料電池的原理與特徵

用氫氣和氧氣來産生電力∕由化學反應可取得多少能量？∕4種主要的燃料電池∕運轉溫度的差異造成不同的特徵∕低溫下也能高效率的運轉？∕高溫型可適用「組閤發電」∕定置型可利用廢熱來提高效率∕利用熱能的方式∕用於分散型發電也相當迷人∕專欄──21世紀是氫氣的時代

3、燃料電池的構造

燃料電池的最小單位是「Cell」∕可傳導離子但不傳導電子的「電解質」∕提供氫氣和氧氣反應場所的「電極」∕促進電極反應的「白金觸媒」∕電解質之一的「離子交換膜」是什麼？∕Cell的壽命有多長？∕單Cell電壓和「電池堆」∕燃料電池的係統結構∕製造氫氣的燃料處理係統∕用於熱能利用的排熱迴收係統∕用於供給穩定電力的交直流轉換係統∕負責精密管控的控製係統∕啓動、運轉、停止的順序∕燃料電池所需的維護∕專欄──國際間正在發展的氫氣應用計畫

4、取得氫氣的方法

由化石燃料等取得氫氣∕水蒸氣重組法的原理∕起動性佳的部分氧化法∕可於低溫下重組的甲醇∕用於定置型燃料電池相當優異的天然氣∕仍有許多課題尚待解決的汽油∕垃圾和傢畜糞尿也可成為原燃料∕一氧化碳也可作為高溫型燃料電池的燃料∕煤可以作為高溫型燃料電池的原燃料∕應用氫氣計畫──
WE-NET∕關於氫氣的輸送和儲藏方法∕專欄──重組是普及化的關鍵科技

5、汽車用的燃料電池

燃料電池車已開跑∕用於汽車所需的性能∕輸齣功率高且易於應用的固態高分子型燃料電池∕如何儲藏足以行駛500公裏使用的氫氣？∕利於汽車內重組的原燃料為？∕最有希望的是甲醇或汽油∕為普及而朝嚮輕薄短小發展∕必須提升實用性及耐久性∕購買一輛燃料電池汽車需要多少錢？∕起初會從巴士開始嗎！？∕在國際間進行的正式運轉實驗∕國際間的汽車廠商正在進行開發∕日本車廠的進展∕其他燃料電池和汽車∕也可用於汽車以外的交通工具∕專欄──燃料電池車跑完42.195公裏！？

6、定置型燃料電池

已實用化的定置型燃料電池∕朝嚮導入需要大量熱能的設施來發展∕産業用分散型發電∕活用工廠所排齣的未利用資源∕傢用燃料電池如冷氣機般大小∕傢庭中的汽電共生∕走在定置型燃料電池尖端的磷酸型∕磷酸型燃料電池的特徵∕於大規模發電研究中蓬勃發展的熔融碳酸鹽型燃料電池∕熔融碳酸鹽型燃料電池的特徵∕以實用化為目標的固態氧化物型燃料電池∕固態氧化物型燃料電池的特徵∕定置型中相當被看好的固態高分子型燃料電池∕專欄──作為都市能源的魅力

7、今後展望

不拘場所的可攜式電源∕用於筆記型電腦和行動電話等∕輕薄短小的直接甲醇型燃料電池∕嶄新的液態燃料也登場∕重新受到重視的直流電源∕作為可信賴的緊急用電源∕作為循環型社會的核心能源∕開啓氫氣時代的再生型燃料電池∕邁嚮燃料電池普及所遭遇的課題

索引

作者序

　　採用氫氣為燃料來發電的燃料電池，被視為新世代能源而受到各界矚目。燃料電池可作為地球暖化及環境破壞的抑製手段，並視為能源枯竭的解決方案，而且，相當值得期待的，燃料電池若普及，極可能引發經濟漣漪效應。若稍微觀察，數年後燃料電池汽車上市販售，在你眼前奔馳的時代已然來臨。燃料電池將會取代今日社會大量生産、大量消費的化石燃料，從此，以氫氣為主角的能源革命即刻展開。

　　然而，相較於燃料電池的高度話題性，真正瞭解燃料電池真麵目的人似乎仍然很少。其理由約如下幾項。首先，「燃料電池」之名稱容易令人産生誤解。燃料電池本是一種和火力發電及核能發電相同的發電裝置，然而，這個名稱是否會令人聯想到新型的乾電池或蓄電池呢？由燃料電池衍生齣的用途十分廣泛，以電力産業的發電廠為首，汽車的動力來源、或行動電話的電源等，均受到期待，然而，相關裝置的構造和原理卻有些令人不容易理解，猶有甚者，近年來燃料電池的研發進展神速也是原因之一吧！近來，燃料電池被稱為「夢幻技術」，想據以即刻兌現應用之想法，也並非不可及的事。當然，燃料電池還留有一些亟待解決的技術課題，即便如此，希望大傢能體會到：開始應用燃料電池的産品其實已經相當多元瞭。

　　鑑於燃料電池最近受到廣泛的討論，因此，我們因應有興趣進一步瞭解它的所有讀者齣版瞭這本書。為瞭讓不擅長電子學或化學的讀者也能看得懂，我們盡量避免使用專業術語或算式，盡可能地以易於理解的方式呈現燃料電池的全貌。先由燃料電池受矚目的理由談起，並整理齣相關的原理和構造、可應用的領域等資訊，另外，在本書中也會提到一些最新的研發狀況，目前已應用到什麼程度？或是正在解決什麼樣的課題等要點。我認為，值此之際，若想要更深入瞭解燃料電池，掌握基礎知識應該不失為一條捷徑。燃料電池在二十一世紀的能源中已然有其不容忽視的地位，人們不管是在報紙或新聞中看到它而對它産生興趣，或是受到關心環保問題的影響，諸此類推，因而更多人願意深入瞭解燃料電池的話，我會感到非常雀躍。

　　最後，誠摯感謝諸位燃料電池開發情報中心協助編輯的先生小姐們，還有歐姆齣版社及相關人士的支援。

评分☆☆☆☆☆

一直以來，我對能源轉型的話題都抱有濃厚的興趣，而燃料電池作為一種極具潛力的清潔能源技術，更是吸引著我的目光。然而，市麵上關於燃料電池的書籍，要麼過於專業，充斥著晦澀難懂的公式和理論；要麼過於科普，卻又流於錶麵，無法滿足我深入瞭解的渴望。《圖解燃料電池》的齣現，恰好填補瞭這一空白。這本書的獨特之處在於它將復雜的科學原理以直觀易懂的圖解方式呈現齣來，這對於我這樣非專業背景但求知欲旺盛的讀者來說，簡直是一場及時雨。書中對燃料電池的內部結構、關鍵組件（如電解質、電極、催化劑）以及工作流程的剖析，都通過精美的插圖和清晰的標注得以完美展現。我特彆欣賞它在解釋化學反應過程時，不僅僅給齣瞭文字描述，更是用生動的動畫式示意圖來模擬電子和離子的流動，讓我能夠“看見”能量是如何産生的。此外，該書還對不同種類的燃料電池進行瞭詳細的分類介紹，並對其各自的優缺點、應用領域做瞭深入的探討，這讓我能夠跳齣單一的視角，對整個燃料電池技術的發展脈絡有一個更宏觀的認識。閱讀過程中，我時常會停下來，反復揣摩圖上的細節，仿佛置身於一個微觀的化學反應現場，這種沉浸式的學習體驗是傳統文字書籍難以比擬的。我確信，通過這本書的學習，我將能夠對燃料電池技術有一個更深刻、更係統、更透徹的理解，為我後續的深入研究打下堅實的基礎。

评分☆☆☆☆☆

我是一名對環保和可持續能源充滿熱情的研究者，長期以來，我一直關注著各種清潔能源技術的最新進展，而燃料電池無疑是其中最讓我著迷的領域之一。然而，在實際的研究過程中，我時常會遇到一些技術細節上的瓶頸，而尋找一本能夠兼顧理論深度與實踐指導的書籍，卻顯得尤為睏難。《圖解燃料電池》這本書，為我提供瞭一個全新的視角和極大的幫助。書中對於燃料電池核心組件的結構解析，比如隔膜的微觀形貌、電極的催化層設計，都配以精細的微觀圖和剖麵圖，讓我能夠直觀地理解這些關鍵部分的物理和化學性質是如何影響電池性能的。特彆是在描述不同類型燃料電池（如固體氧化物燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池等）的運行機理時，書中通過一係列對比鮮明的圖示，清晰地展現瞭它們在工作溫度、電解質選擇以及離子傳輸方式上的根本差異，這對於我深入比較和分析不同技術的優劣至關重要。此外，書中對燃料電池係統集成的圖解，也為我理解實際應用中的工程挑戰提供瞭有益的參考，例如如何進行熱管理、如何實現高效的燃料供應等。這本書的圖解並非簡單的裝飾，而是與文字內容高度融閤，相輔相成，極大地提升瞭信息的傳達效率和深度。對於任何希望在燃料電池領域進行深入研究或技術開發的人士來說，這本《圖解燃料電池》無疑是一份寶貴的知識財富。

评分☆☆☆☆☆

拿到《圖解燃料電池》這本書，我的第一反應是：“終於有一本書可以把我之前看過的零散的知識點串起來瞭！”我之前在網上或者其他書上，斷斷續續地接觸過一些關於燃料電池的碎片信息，但總是覺得它們缺乏整體性，理解起來像是拼湊一幅不完整的拼圖。這本書最大的亮點，就是它的“圖解”做得非常到位。它不是那種隨便畫幾個圈圈點點就叫圖解的書，而是真正把復雜的化學反應、電化學過程，通過一個個生動、精細的圖示，呈現齣來。我最喜歡它講解質子交換膜燃料電池（PEMFC）的部分，它用一種非常形象的方式，展示瞭氫氣分子在陽極如何被分解成質子和電子，電子如何通過外電路形成電流，而質子如何穿過膜到達陰極，最終和氧氣結閤生成水。這個過程，我之前光看文字描述，總是有點雲裏霧裏，但看瞭圖之後，感覺豁然開朗。而且，它對不同類型燃料電池的對比，也很有意思。比如，在介紹高溫燃料電池時，它會用顔色和動態效果來模擬高溫下的反應環境，讓我能直觀地感受到不同溫度對反應效率和材料選擇的影響。書中還會涉及一些實際的應用場景，比如燃料電池在電動汽車、便攜式電源等領域的應用，並且會配上相關的係統圖，讓我能更好地理解燃料電池是如何集成到實際産品中的。這本書真的是一本把理論和實踐結閤得非常好的書，對於想要深入瞭解燃料電池技術，但又希望有一個清晰、直觀的理解方式的讀者來說，絕對是不可多得的好書！

评分☆☆☆☆☆

哇，拿到這本《圖解燃料電池》真是太驚喜瞭！我一直對各種新能源技術很感興趣，尤其是最近幾年經常聽到燃料電池這個詞，但總覺得它有點抽象，概念性的東西比較多，自己腦補起來總覺得隔靴搔癢。這次看到這本《圖解燃料電池》，我立刻就被它的名字吸引住瞭，心想這下終於可以把那些復雜的原理看得明明白白瞭！打開書，果然沒有讓我失望，書中的圖解真的非常生動形象，把一個我之前覺得像天書一樣的燃料電池工作原理，一點一點地拆解開來，讓我能夠非常直觀地理解。比如說，它用很精妙的圖示來展示質子交換膜的結構，以及氫氣和氧氣是如何在催化劑的作用下發生反應，最終産生電能和水的。不僅僅是原理，書中還涉及到瞭不同類型的燃料電池，比如PEMFC、SOFC等等，每一種都有詳細的圖文解釋，讓我對它們各自的特點和應用場景有瞭更清晰的認識。我尤其喜歡它在介紹各個組成部分的時候，都會配上相關的實物圖或者示意圖，這樣一來，我不僅知道“這是什麼”，還能大概瞭解“它長什麼樣”、“它在整個裝置裏大概是什麼位置”。這對於我這種視覺型學習者來說，簡直是福音！這本書的編寫角度非常貼近普通讀者的需求，沒有過多艱澀的專業術語，即使是初次接觸燃料電池的讀者，也能輕鬆上手。我現在已經迫不及待地想把裏麵的知識運用到我的一個小型DIY項目上瞭，相信這本《圖解燃料電池》會是我不可或缺的參考書！

评分☆☆☆☆☆

老實說，我對“燃料電池”這個詞的印象，一直是停留在新聞報道裏，感覺離我生活很遙遠，像是一種高大上的科技，但具體是怎麼工作的，以及它到底有什麼優勢，我一直是一頭霧水。《圖解燃料電池》這本書，真的讓我對它颳目相看！打開這本書，第一感覺就是“乾淨”，排版很舒服，圖片都很清晰，沒有那種雜亂無章的感覺。然後，當我開始閱讀的時候，我就被它那種“化繁為簡”的功力深深摺服瞭。它沒有一開始就拋齣一大堆專業術語，而是循序漸進，從最基礎的原理講起。書裏那些圖，不是那種簡單的示意圖，而是那種很有“故事感”的圖，能夠很形象地展示齣氫氣分子怎麼變成質子，電子又是怎麼被“拉”齣來形成電流，最後氧氣怎麼和質子結閤生成水。我之前看一些科普文章，說到催化劑，就覺得特彆抽象，不知道它到底做瞭什麼。這本書用瞭一係列的小圖，把催化劑在反應過程中的角色，比如“搭橋”、“加速”這些功能，錶現得淋灕盡緻。而且，它還對比瞭不同的燃料電池類型，用圖來展示它們之間的結構差異和性能特點，這對我這種喜歡橫嚮對比的人來說，簡直是太有幫助瞭！讀完這本書，我感覺我腦袋裏那個模糊的“燃料電池”形象，一下子變得立體、清晰瞭許多，甚至還能想象齣它在不同場景下的應用，比如汽車、發電站等等。這本書真的很適閤那些想要快速入門，但又不想被海量信息淹沒的讀者。