新能源車用燃料電池應(yīng)用技術(shù)--質(zhì)子交換膜燃料電池原理及耐久性

《質(zhì)子交換膜燃料電池原理及耐久性》主要匯集了同濟大學(xué)教研團隊多年的燃料電池教學(xué)和科研工作成果及最新進展，特別總結(jié)了參與國家新能源汽車、氫能重點專項研究的工程經(jīng)驗。書中圍繞質(zhì)子交換膜燃料電池的耐久性展開闡述， 介紹了燃料電池的分類、發(fā)電原理，燃料電池耐久性現(xiàn)狀及目標等；闡述了質(zhì)子交換膜、催化層、氣體擴散層與雙極板等關(guān)鍵材料和部件的結(jié)構(gòu)、衰退機制與抑制策略；分析了電堆運行條件下的耐久性并介紹了雜質(zhì)氣體對質(zhì)子交換膜燃料電池性能的影響。
《質(zhì)子交換膜燃料電池原理及耐久性》可供開展燃料電池相關(guān)研究的高校和科研院所的師生、研究人員使用，也可供企業(yè)研發(fā)人員參考。

楊代軍，同濟大學(xué)汽車學(xué)院動力機械及工程專業(yè)副教授，國家燃料電池及動力系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心燃料電池研究室主任，2007年起在同濟大學(xué)汽車學(xué)院歷任講師、副教授/博導(dǎo)，期間曾赴德國克勞斯塔爾工業(yè)大學(xué)訪學(xué)。主要研究方向為車用電化學(xué)電源，深耕氫能和燃料電池領(lǐng)域。

1. 本書以燃料電池耐久性為主線，結(jié)合了筆者在大學(xué)從事多年基礎(chǔ)教學(xué)與參與國家新能源汽車、氫能重點專項的研究過程中的工程經(jīng)驗，兼顧了科研、教學(xué)與企業(yè)產(chǎn)品開發(fā)過程的需求。 2. 本書以揭示燃料電池的耐久性的衰退機制為目標，并提出解決思路和應(yīng)對策略，內(nèi)容通俗易懂，圖文并茂，適合不同群體需求，適用面廣。

在我國“雙碳”目標的強力驅(qū)動下，政府眾多的激勵政策相繼出臺，氫能領(lǐng)域科技水平飛速發(fā)展，取得了長足的進步。質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）以氫氣為燃料，啟動迅速、清潔高效。從全球范圍看，隨著其發(fā)電性能的持續(xù)提升以及材料與制造成本的不斷下降，PEMFC 在交通和能源領(lǐng)域的商業(yè)化大門已經(jīng)開啟。這體現(xiàn)在以下幾個方面：
1. 燃料電池性能提升，成本下降。電池堆（電堆）功率密度已突破4kW/L，成本已降至1000 元/kW 以下。
2. 燃料電池壽命進步顯著。石墨板電堆壽命可達4 萬小時，金屬板電堆1 萬小時壽命已非鮮見。
3. 加氫基礎(chǔ)設(shè)施不斷完善。加氫站數(shù)量不斷增多，已達2000 座以上，其中東亞的加氫站建設(shè)勢頭尤其迅猛。
4. 氫燃料成本下降，經(jīng)濟效益開始顯現(xiàn)。我國利用風(fēng)、光和水等可再生能源發(fā)電領(lǐng)域的全球領(lǐng)先優(yōu)勢，不斷開拓綠色制氫途徑，氫氣成本已逐級下降至市場可接受的水平。
近二十多年來在我國政府科技項目支持和科研人員的努力下，燃料電池堆的性能和壽命進步顯著，成本逐步下降；氫氣的“制-儲-輸-用”各環(huán)節(jié)技術(shù)成熟度不斷提升，降本之路逐漸打通，極大地促進了燃料電池的發(fā)展。
我國氫能與燃料電池的發(fā)展，經(jīng)歷了“十五”和“十一五”（2003～ 2010 年）期間在科技部重大專項的支持和引領(lǐng)下，由同濟大學(xué)、清華大學(xué)分別領(lǐng)銜各整車廠開發(fā)乘用和商用燃料電池汽車的熱潮；也經(jīng)歷了2008 年在美國金融危機的沖擊下燃料電池汽車開發(fā)熱的退潮；更經(jīng)歷了我國純電動汽車在“三縱三橫”戰(zhàn)略引領(lǐng)下從與燃料電池汽車并駕齊驅(qū)到實現(xiàn)百萬產(chǎn)能、舉世矚目。與純電動汽車相比，在大眾眼里的新能源汽車中，尚難覓燃料電池汽車的一席之地，在電站領(lǐng)域燃料電池的應(yīng)用更是聊勝于無。這也是如今我國各級政府在“雙碳”目標的引領(lǐng)下，紛紛出臺產(chǎn)業(yè)和經(jīng)濟政策支持燃料電池發(fā)展的原因。
因此，盡管燃料電池的商業(yè)化已經(jīng)開啟，但想要達到一定的市場滲透率，真正為市場所接受，并在國民經(jīng)濟中發(fā)揮較大的作用，還必須克服自身耐久性不足這一重要短板。而長生命周期內(nèi)的電堆耐久性，需要更先進的科技與工程解決方案，這也是本書的寫作目的。本書將從燃料電池發(fā)電的基礎(chǔ)熱力學(xué)、動力學(xué)機制開始，介紹電堆的結(jié)構(gòu)與組成；然后介紹膜電極組件、雙極板、密封件和其他組件等關(guān)鍵材料和部件材料、結(jié)構(gòu)、衰退機制與抑制策略；最后還針對電堆工作環(huán)境、水熱管理和運行工況等展開分析，闡述外圍因素對電堆壽命的影響。
本書匯集了課題組在燃料電池耐久性及相關(guān)方面的多年研究成果，由楊代軍擔(dān)任主編，盧奕睿、明平文和李冰擔(dān)任副主編，劉鵬程、廖珮懿、冷宇、姚歡、賈林瀚、吳浩宇、屈同舟、徐勝楠、藍弋林、田一凡和姚偉濤參與了編寫工作。同時，也對為本書做出貢獻的組內(nèi)研究人員表示感謝。
本書的目的是希望給予燃料電池行業(yè)的學(xué)生、科研人員和工程技術(shù)人員關(guān)于燃料電池耐久性方面比較全面的指導(dǎo)，以促進行業(yè)發(fā)展，早日走向成熟。

1概述
1.1燃料電池分類001
1.2燃料電池發(fā)電原理002
1.3燃料電池?zé)崃W(xué)005
1.3.1標準電極電勢與可逆電動勢005
1.3.2燃料電池效率計算009
1.4電極反應(yīng)動力學(xué)012
1.5燃料電池堆結(jié)構(gòu)與組成017
1.5.1電堆結(jié)構(gòu)017
1.5.2電堆組成018
1.6燃料電池耐久性現(xiàn)狀及目標020
1.6.1美國能源部的目標020
1.6.2日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機構(gòu)的目標021
1.6.3歐盟燃料電池及氫能合作組織的目標025
1.6.4我國關(guān)于氫能與燃料電池的目標025
1.7小結(jié)028
參考文獻029

2質(zhì)子交換膜：化學(xué)和物理衰減
2.1質(zhì)子交換膜簡介031
2.1.1質(zhì)子交換膜的基本要求031
2.1.2質(zhì)子交換膜國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀032
2.2質(zhì)子交換膜結(jié)構(gòu)及優(yōu)缺點034
2.2.1PEM的化學(xué)結(jié)構(gòu)034
2.2.2均質(zhì)膜與復(fù)合膜優(yōu)缺點035
2.2.3膜電極組成036
2.2.4膜電極結(jié)構(gòu)及功能037
2.2.5膜電極密封結(jié)構(gòu)039
2.3PEM基本性能的評測方法041
2.3.1質(zhì)子電導(dǎo)率041
2.3.2氫滲電流042
2.3.3氟離子溶出042
2.4PEM的降解機理043
2.4.1熱降解043
2.4.2化學(xué)降解044
2.4.3機械降解045
2.5PEM降解的緩解方法045
2.5.1熱降解緩解方法045
2.5.2化學(xué)降解緩解方法046
2.5.3機械降解緩解方法046
2.6小結(jié)048
參考文獻048

3催化層：化學(xué)降解與結(jié)構(gòu)破壞
3.1概述052
3.1.1催化劑的重要作用052
3.1.2催化層與催化劑的關(guān)系053
3.1.3高效MEA的開發(fā)策略056
3.1.4催化劑發(fā)展現(xiàn)狀060
3.2漿料對性能和壽命的影響063
3.2.1催化劑漿料對催化層結(jié)構(gòu)的影響063
3.2.2催化層結(jié)構(gòu)與耐久性的關(guān)系066
3.3電堆活化與恢復(fù)方法073
3.3.1電堆活化與耐久性的關(guān)系073
3.3.2電堆恢復(fù)活化法介紹073
3.4活性金屬衰退與評價方法078
3.4.1Pt顆粒的團聚與長大079
3.4.2Pt流失與再分布080
3.4.3Pt中毒080
3.4.4催化劑衰退的緩解方法081
3.4.5催化劑衰退的評價方法082
3.5載體衰退與評價方法084
3.5.1碳載體的衰退084
3.5.2載體衰退的緩解方法086
3.5.3載體衰退的評價方法087
3.6離聚物對PEMFC性能的影響及其衰退089
3.6.1離聚物對PEMFC性能的影響089
3.6.2離聚物的衰退機制090
3.7小結(jié)091
參考文獻091

4氣體擴散層：制造工藝及衰退機理
4.1概述102
4.1.1氣體擴散層的基本要求102
4.1.2氣體擴散層國內(nèi)外研究現(xiàn)狀103
4.2氣體擴散層結(jié)構(gòu)與材料及功能與特性104
4.2.1結(jié)構(gòu)與材料104
4.2.2功能與特性106
4.2.3氣體擴散層與極板的相互作用109
4.3氣體擴散層制造方法110
4.3.1碳基材料制造方法110
4.3.2金屬基材料制造方法cm100111
4.3.3疏水處理112
4.4氣體擴散層的理化特性及表征方法113
4.4.1力學(xué)性能113
4.4.2導(dǎo)電性114
4.4.3導(dǎo)熱性115
4.4.4透氣率116
4.4.5孔隙率及孔徑分布116
4.4.6親疏水性117
4.5氣體擴散層的衰退機理117
4.5.1物理衰退118
4.5.2化學(xué)衰退120
4.6緩解氣體擴散層衰減的策略121
4.6.1優(yōu)化裝配壓力121
4.6.2MPL設(shè)計121
4.7小結(jié)122
參考文獻123

5雙極板與流場：成形方式與腐蝕失效分析
5.1雙極板的功能與性能要求129
5.2雙極板的流場設(shè)計131
5.3雙極板材料133
5.3.1石墨雙極板133
5.3.2復(fù)合雙極板134
5.3.3金屬雙極板134
5.4雙極板成形方式135
5.4.1石墨與復(fù)合雙極板成形方式135
5.4.2金屬雙極板成形方式136
5.5雙極板組對方式139
5.6衰退機理與抑制策略141
5.6.1衰退機理141
5.6.2提高金屬雙極板耐腐蝕性的策略143
5.7雙極板主要指標及評測方法144
5.7.1氣密性測試144
5.7.2抗彎強度測試145
5.7.3腐蝕電流測試145
5.7.4接觸電阻測試146
5.7.5接觸角測試147
5.8小結(jié)147
參考文獻148

6關(guān)鍵零部件對燃料電池堆耐久性的影響
6.1概述153
6.1.1密封件基本要求153
6.1.2燃料電池密封件國內(nèi)外研究進展154
6.2密封材料選型準則155
6.3PEMFC的密封結(jié)構(gòu)156
6.3.1線密封結(jié)構(gòu)157
6.3.2一體化密封結(jié)構(gòu)157
6.4密封件材料評估方法158
6.4.1物理特性與參數(shù)158
6.4.2化學(xué)特性及表征162
6.5密封件加速評估方法166
6.5.1老化對比實驗166
6.5.2加權(quán)選型方法168
6.5.3工程應(yīng)用前景169
6.6端板及其他電堆輔件170
6.6.1端板的作用170
6.6.2端板對耐久性的影響170
6.6.3其他電堆輔件對耐久性的影響173
6.7小結(jié)75
參考文獻176

7電堆運行條件下的耐久分析
7.1概述178
7.2燃料電池水熱管理180
7.2.1燃料電池中的兩相流180
7.2.2燃料電池水管理183
7.2.3燃料電池?zé)峁芾?85
7.3電堆運行工況的衰退分析188
7.3.1高電勢引起的衰退188
7.3.2電勢循環(huán)與衰退189
7.3.3反極造成的衰退189
7.3.4啟/停機與氫/空界面190
7.3.5車用工況與衰減192
7.4電堆低溫冷啟動策略197
7.4.1模型研究199
7.4.2實驗方法201
7.4.3工程應(yīng)用202
7.5小結(jié)204
參考文獻205

8雜質(zhì)氣體對PEMFC性能的影響
8.1氫氣/空氣中的雜質(zhì)來源212
8.1.1傳統(tǒng)制氫技術(shù)213
8.1.2氫氣的提純工藝215
8.1.3新型制氫技術(shù)217
8.1.4大氣污染物來源分析218
8.1.5空氣污染物的去除方法220
8.2雜質(zhì)氣體影響的分析方法221
8.2.1水分分析方法222
8.2.2總烴及無機雜質(zhì)組分分析方法222
8.2.3總硫分析方法223
8.2.4氨分析方法223
8.2.5氯化氫分析方法223
8.2.6顆粒物分析方法223
8.2.7電化學(xué)測試分析方法223
8.2.8空氣/氫氣中雜質(zhì)對PEMFC性能影響的測試方法226
8.3氫氣雜質(zhì)對PEMFC的影響228
8.3.1CO對陽極的影響228
8.3.2H2S對陽極的影響233
8.3.3Cl2對陽極的影響234
8.3.4NH3對陽極的影響235
8.3.5CO2對陽極的影響238
8.4空氣雜質(zhì)對PEMFC的影響239
8.4.1N2對陰極的影響240
8.4.2NOx對陰極的影響240
8.4.3SO2對陰極的影響243
8.4.4HxCy對陰極的影響246
8.4.5CO對陰極的影響246
8.4.6協(xié)同影響248
8.5緩解空氣雜質(zhì)對PEMFC影響的策略249
8.5.1空氣過濾器249
8.5.2高電勢氧化法258
8.5.3吹掃法260
8.5.4高溫質(zhì)子交換膜燃料電池(HT-PEMFC)261
8.6小結(jié)262
參考文獻263