先進(jìn)電化學(xué)能源存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)化技術(shù)叢書--氫燃料電池：關(guān)鍵材料與技術(shù)

《氫燃料電池： 關(guān)鍵材料與技術(shù)》是“先進(jìn)電化學(xué)能源存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)化技術(shù)叢書”分冊(cè)之一。本書聚焦氫燃料電池這一實(shí)現(xiàn)碳中和的關(guān)鍵新能源技術(shù)，依據(jù)作者團(tuán)隊(duì)以及國(guó)內(nèi)外研究人員的研究進(jìn)展, 從基礎(chǔ)科學(xué)理論與工程技術(shù)應(yīng)用兩個(gè)方面進(jìn)行了系統(tǒng)深入的介紹。全面闡述了氫燃料電池的基礎(chǔ)運(yùn)行原理以及各部分關(guān)鍵材料（如質(zhì)子交換膜，膜電極，陰、陽(yáng)極電催化劑）的作用與設(shè)計(jì)思路，還系統(tǒng)介紹了電堆技術(shù)以及其他相關(guān)的燃料電池技術(shù)。本書從簡(jiǎn)單的電化學(xué)原理與案例入手，深入淺出，具有較好的可讀性。
本書不僅適合從事新能源、電化學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域的研究人員、工程技術(shù)人員閱讀參考，也可供高等院校相關(guān)專業(yè)的師生作為教材使用。

本書從基礎(chǔ)科學(xué)理論與工程技術(shù)應(yīng)用兩個(gè)方面對(duì)氫燃料電池進(jìn)行了系統(tǒng)深入的介紹，全面介紹了氫燃料電池的基礎(chǔ)運(yùn)行原理以及各部分關(guān)鍵材料（如質(zhì)子交換膜，膜電極，陰、陽(yáng)極電催化劑）的作用與設(shè)計(jì)思路，此外還系統(tǒng)地介紹了電堆技術(shù)以及其他相關(guān)的燃料電池技術(shù)。

當(dāng)今世界能源結(jié)構(gòu)80% 依賴于傳統(tǒng)的化石能源，然而化石能源的資源有限性及其在使用過(guò)程中帶來(lái)的環(huán)境污染和碳排放問(wèn)題成為了全球關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題。隨著世界各國(guó)對(duì)氣候問(wèn)題的日益重視，發(fā)展“低碳經(jīng)濟(jì)”已經(jīng)成為實(shí)現(xiàn)未來(lái)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的共識(shí)。2020年9月，我國(guó)在第75 屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)一般性辯論中莊嚴(yán)承諾，中國(guó)力爭(zhēng)于2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。作為化石能源的替代，以太陽(yáng)能、風(fēng)能等為代表的可再生能源具有清潔、高效、綠色的特點(diǎn)，可以從根本上解決化石能源帶來(lái)的環(huán)境污染和碳排放問(wèn)題。然而，這些能源形式固有的間歇性、波動(dòng)性和隨機(jī)性對(duì)高效率的能量?jī)?chǔ)存和轉(zhuǎn)換方式提出了要求。
在諸多能量轉(zhuǎn)換裝置中，基于氫能源系統(tǒng)的質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)以其能量轉(zhuǎn)換效率高、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)受到了科研工作者的廣泛關(guān)注。氫能是一種清潔可再生的二次能源，且能量密度極高，是替代化石能源等傳統(tǒng)能源形式、實(shí)現(xiàn)“低碳經(jīng)濟(jì)”的重要選擇之一。而質(zhì)子交換膜燃料電池能夠通過(guò)電化學(xué)過(guò)程將氫能直接轉(zhuǎn)化為電能，不經(jīng)過(guò)熱能-機(jī)械能轉(zhuǎn)化，故不受卡諾循環(huán)限制，轉(zhuǎn)化效率高，是最有效的利用氫能的手段。自20 世紀(jì)70年代，人們就已經(jīng)開始進(jìn)行利用氫能來(lái)解決全球性能源與環(huán)境問(wèn)題的嘗試，經(jīng)過(guò)數(shù)十年研究與探索，取得了一系列的進(jìn)展，奠定了氫能大規(guī)模應(yīng)用的理論及技術(shù)基礎(chǔ)。
質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)作為氫能源系統(tǒng)的核心技術(shù)，是近幾十年的研究重點(diǎn)。由于質(zhì)子交換膜燃料電池能夠在相對(duì)低溫下工作，熱損耗小，且體積小、重量輕，非常適合作為汽車和其他便攜式設(shè)備的電源，因而備受學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的青睞。質(zhì)子交換膜燃料電池包括質(zhì)子交換膜、催化劑層、氣體擴(kuò)散層、雙極板等多個(gè)組成部分，相關(guān)研究涉及電化學(xué)基本原理、材料設(shè)計(jì)、水熱管理、模擬仿真等多個(gè)方面。目前，國(guó)內(nèi)外已有數(shù)部專著對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池進(jìn)行介紹，但近年來(lái)，相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展日新月異，每年都有大量針對(duì)催化劑的制備、膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化、電池體系仿真等方面的研究成果涌現(xiàn)。因此，對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)及其研究進(jìn)展進(jìn)行系統(tǒng)的歸納和總結(jié)，有利于我國(guó)相關(guān)研究人員在進(jìn)入這一領(lǐng)域時(shí)能夠?qū)Ρ绢I(lǐng)域有更為全面且實(shí)時(shí)的了解。
本書共8章。第1章介紹氫燃料電池基本原理、結(jié)構(gòu)及相關(guān)電化學(xué)反應(yīng)（李箐、何大平、程年才、王譚源負(fù)責(zé)撰寫），第2章介紹膜電極關(guān)鍵組件的工作機(jī)理及性能需求（程年才、吳威、王子辰負(fù)責(zé)撰寫），第3章重點(diǎn)介紹各類質(zhì)子交換膜的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、合成方法及性能參數(shù)（王正幫、薛萍、唐浩林負(fù)責(zé)撰寫），第4章主要介紹氫燃料電池陰極氧氣還原反應(yīng)鉑基貴金屬催化劑的設(shè)計(jì)思路和研究進(jìn)展（李箐、梁嘉順負(fù)責(zé)撰寫），第5章主要介紹陰極氧氣還原反應(yīng)非貴金屬催化劑的研究進(jìn)展（何大平、晉慧慧負(fù)責(zé)撰寫），第6章聚焦于燃料電池多場(chǎng)耦合下的宏觀性能仿真研究（陳黎、何璞、方文振負(fù)責(zé)撰寫），第7章拓展介紹其他氫燃料電池（堿性燃料電池和磷酸燃料電池）的原理及關(guān)鍵材料研究進(jìn)展（程年才、陳潤(rùn)喆負(fù)責(zé)撰寫），第8章介紹燃料電池電堆的設(shè)計(jì)原理和發(fā)展方向（郭偉負(fù)責(zé)撰寫）。
由于本領(lǐng)域仍處于高速發(fā)展的階段，相關(guān)學(xué)術(shù)論文眾多，且目前對(duì)某些問(wèn)題的觀點(diǎn)尚未一致，加之編著者水平有限及篇幅的限制，書中疏漏在所難免，希望廣大讀者指正。

編著者

第1章 氫質(zhì)子交換膜燃料電池原理及概述1
1.1 燃料電池化學(xué)熱力學(xué)2
1.1.1 燃料電池發(fā)展簡(jiǎn)介2
1.1.2 燃料電池工作原理3
1.1.3 反應(yīng)焓4
1.1.4 做功潛能5
1.1.5 燃料電池效率6
1.1.6 溫度效應(yīng)7
1.1.7 壓力效應(yīng)8
1.2 電極反應(yīng)9
1.2.1 電極反應(yīng)動(dòng)力學(xué)9
1.2.2 電壓損耗12
1.2.3 燃料電池的電勢(shì)分布16
1.2.4 極化曲線17
1.3 燃料電池電解質(zhì)21
1.4 催化層23
1.5 多孔擴(kuò)散層25
1.6 雙極板27
1.6.1 雙極板的功能及特征27
1.6.2 雙極板材料的分類28
1.6.3 雙極板的制備31
1.7 燃料電池水熱管理34
參考文獻(xiàn)37

第2章 膜電極設(shè)計(jì)42
2.1 膜電極簡(jiǎn)介43
2.2 傳統(tǒng)膜電極的制備44
2.2.1 轉(zhuǎn)印法45
2.2.2 噴涂法46
2.2.3 電化學(xué)沉積法47
2.3 膜電極的降解機(jī)制47
2.3.1 質(zhì)子交換膜衰減機(jī)理48
2.3.2 催化層衰減機(jī)理49
2.3.3 氣體擴(kuò)散層衰減機(jī)理49
2.4 膜電極的優(yōu)化設(shè)計(jì)50
2.4.1 催化層優(yōu)化設(shè)計(jì)50
2.4.2 質(zhì)子交換膜優(yōu)化設(shè)計(jì)54
2.4.3 擴(kuò)散層優(yōu)化設(shè)計(jì)56
2.4.4 GDL/CL/PEM 界面結(jié)構(gòu)優(yōu)化57
2.5 有序化膜電極57
2.5.1 載體材料有序化催化層58
2.5.2 催化劑有序化膜電極60
2.5.3 質(zhì)子導(dǎo)體有序化膜電極62
2.5.4 有序化膜電極發(fā)展前景63
參考文獻(xiàn)63

第3章 質(zhì)子交換膜69
3.1 質(zhì)子交換膜簡(jiǎn)介70
3.2 全氟磺酸質(zhì)子交換膜72
3.2.1 分子結(jié)構(gòu)72
3.2.2 分子合成74
3.2.3 微觀結(jié)構(gòu)和質(zhì)子傳導(dǎo)性能76
3.2.4 耐久性79
3.3 部分氟化質(zhì)子交換膜83
3.3.1 磺化聚三氟苯乙烯結(jié)構(gòu)84
3.3.2 輻射接枝型結(jié)構(gòu)84
3.4 非氟化質(zhì)子交換膜85
3.4.1 磺化聚醚醚酮85
3.4.2 磺化聚醚砜87
3.4.3 磺化聚酰亞胺88
3.4.4 磺化聚苯并咪唑90
3.5 復(fù)合質(zhì)子交換膜92
3.5.1 機(jī)械增強(qiáng)型復(fù)合質(zhì)子交換膜93
3.5.2 高溫型復(fù)合質(zhì)子交換膜95
3.6 無(wú)機(jī)質(zhì)子交換膜98
3.7 質(zhì)子交換膜的成膜工藝99
3.7.1 擠出成型工藝99
3.7.2 溶液成型工藝100
3.7.3 復(fù)合成型工藝100
3.8 質(zhì)子交換膜的性能參數(shù)和表征方法100
3.8.1 厚度101
3.8.2 離子交換容量101
3.8.3 質(zhì)子電導(dǎo)率102
3.8.4 氫氣滲透率103
3.8.5 機(jī)械強(qiáng)度104
3.8.6 吸水溶脹率104
3.8.7 機(jī)械穩(wěn)定性105
3.8.8 化學(xué)穩(wěn)定性105
3.9 總結(jié)與展望106
參考文獻(xiàn)106

第4章 陰極氧氣還原反應(yīng)催化劑研究進(jìn)展——貴金屬催化劑116
4.1 研究背景117
4.2 低鉑氧還原催化劑的理論研究120
4.2.1 氧還原過(guò)程的機(jī)理研究120
4.2.2 d帶重心理論122
4.3 低鉑氧還原催化劑的性能評(píng)估126
4.4 低鉑氧還原催化劑的研究進(jìn)展128
4.4.1 零維鉑基納米晶催化劑128
4.4.2 鉑基核殼結(jié)構(gòu)納米晶催化劑139
4.4.3 鉑基空心納米框架催化劑146
4.4.4 一維鉑基納米晶催化劑149
4.4.5 鉑基有序結(jié)構(gòu)納米晶催化劑153
4.5 總結(jié)與展望159
參考文獻(xiàn)160

第5章 陰極氧氣還原反應(yīng)催化劑研究進(jìn)展——非貴金屬催化劑170
5.1 研究背景171
5.2 氧還原催化劑的理論研究172
5.3 非貴金屬氧還原催化劑的研究進(jìn)展174
5.3.1 非貴過(guò)渡金屬氧還原催化劑174
5.3.2 非金屬催化劑187
5.4 非貴金屬氧還原催化劑的穩(wěn)定性問(wèn)題195
5.5 總結(jié)與展望198
參考文獻(xiàn)198

第6章 質(zhì)子交換膜燃料電池多尺度多場(chǎng)耦合過(guò)程的建模及仿真210
6.1 質(zhì)子交換膜燃料電池工作原理211
6.2 宏觀三維兩相流全電池?cái)?shù)值模型212
6.2.1 計(jì)算域213
6.2.2 守恒方程213
6.2.3 邊界條件219
6.2.4 典型宏觀仿真結(jié)果220
6.3 擴(kuò)散層孔尺度模擬223
6.3.1 擴(kuò)散層結(jié)構(gòu)重構(gòu)224
6.3.2 擴(kuò)散層有效輸運(yùn)參數(shù)預(yù)測(cè)225
6.3.3 擴(kuò)散層孔隙尺度兩相流動(dòng)227
6.4 催化層孔尺度模擬230
6.4.1 催化層結(jié)構(gòu)重構(gòu)230
6.4.2 有效擴(kuò)散系數(shù)231
6.4.3 有效質(zhì)子電導(dǎo)率233
6.4.4 反應(yīng)輸運(yùn)過(guò)程及結(jié)構(gòu)優(yōu)化234
6.4.5 催化層孔尺度兩相反應(yīng)輸運(yùn)過(guò)程235
6.4.6 低Pt 傳質(zhì)阻力研究235
6.5 總結(jié)與展望238
參考文獻(xiàn)238

第7章 其他氫氧燃料電池的原理及關(guān)鍵材料研究進(jìn)展243
7.1 堿性燃料電池244
7.1.1 原理及概述244
7.1.2 HOR 催化劑246
7.1.3 ORR 催化劑249
7.1.4 陰離子交換膜252
7.1.5 總結(jié)與展望254
7.2 磷酸燃料電池255
7.2.1 PAFC 工作原理255
7.2.2 磷酸電解質(zhì)256
7.2.3 PAFC 電極和催化劑的發(fā)展概況257
7.2.4 PAFC 的性能和影響因素261
7.2.5 PAFC 電站技術(shù)的發(fā)展概況264
7.2.6 總結(jié)與展望265
參考文獻(xiàn)266

第8章 燃料電池電堆技術(shù)272
8.1 燃料電池單電池和電堆結(jié)構(gòu)273
8.2 燃料電池電堆核心零部件275
8.2.1 密封組件275
8.2.2 端板與集流體278
8.3 電堆組裝281
8.3.1 組裝方式281
8.3.2 組裝形式282
8.3.3 組裝工藝流程283
8.4 電堆合格條件283
8.5 典型的商業(yè)化電堆284
8.5.1 典型的石墨板和復(fù)合板電堆284
8.5.2 典型的金屬雙極板電堆285
8.6 電堆術(shù)語(yǔ)286
參考文獻(xiàn)288

索引291