先進(jìn)電化學(xué)能源存儲與轉(zhuǎn)化技術(shù)叢書--直接液體燃料電池

《直接液體燃料電池》是“先進(jìn)電化學(xué)能源存儲與轉(zhuǎn)化技術(shù)叢書”分冊之一。本書根據(jù)直接液體燃料電池的特點(diǎn)、組成、結(jié)構(gòu)，從燃料電池的關(guān)鍵材料和技術(shù)出發(fā)，重點(diǎn)介紹當(dāng)今直接液體燃料電池在電極材料、離子交換膜、膜電極及電池集成技術(shù)方面的進(jìn)展，并對其他具有潛在應(yīng)用價(jià)值的液體燃料電催化給予關(guān)注。書中對直接液體燃料電池關(guān)鍵電極材料的制備與應(yīng)用、電池組裝與測試技術(shù)均有詳細(xì)介紹，具有很重要的學(xué)術(shù)參考價(jià)值，借鑒本書內(nèi)容可以快速展開相關(guān)的基礎(chǔ)與應(yīng)用研究，并能深入了解當(dāng)前能源電化學(xué)技術(shù)在本領(lǐng)域的研究進(jìn)展。
本書適合從事電化學(xué)、電催化、能源、材料及燃料電池技術(shù)等學(xué)科領(lǐng)域的科研工作者以及相關(guān)專業(yè)的研究生和高年級本科生參考學(xué)習(xí)。

本書的相關(guān)章節(jié)均來自于該領(lǐng)域的知名教授或一線科研人員，他們根據(jù)自己的研究經(jīng)驗(yàn)與知識結(jié)構(gòu)，盡量做到將該領(lǐng)域的基本知識與研究進(jìn)展呈現(xiàn)給讀者，力求做到內(nèi)容覆蓋較全面又不失重點(diǎn)介紹。書中根據(jù)直接液體燃料電池的特點(diǎn)、組成、結(jié)構(gòu)從燃料電池的關(guān)鍵材料和技術(shù)出發(fā)，重點(diǎn)介紹直接液體燃料電池電極材料、離子交膜、膜電極及電池集成技術(shù)的進(jìn)展，并對其它具有潛在應(yīng)用價(jià)值的液體燃料電催化給予關(guān)注。本書對直接液體電池的關(guān)鍵電極材料的制備與應(yīng)、電池組裝與測試技術(shù)均有詳細(xì)介紹。

可持續(xù)發(fā)展是當(dāng)今社會的主旋律，“碳達(dá)峰”和“碳中和”的“雙碳”目標(biāo)對實(shí)現(xiàn)文明社會的可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。因此，開發(fā)可再生能源，建立清潔高效的新能源體系，是人類社會面臨的共同挑戰(zhàn)。燃料電池技術(shù)是直接將化學(xué)燃料的化學(xué)能通過電化學(xué)技術(shù)轉(zhuǎn)換成電能的一種清潔能源轉(zhuǎn)換技術(shù)，如果實(shí)現(xiàn)燃料的可持續(xù)與循環(huán)供給，則燃料電池技術(shù)將會帶給能源領(lǐng)域深刻的變革。
直接液體燃料電池屬于聚合物電解質(zhì)膜燃料電池，是直接以富氫的液體小分子物質(zhì)作為燃料，在電催化劑的作用下，將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。與氫氧燃料電池技術(shù)相比，其功率密度較低，但具有較高的能量密度，結(jié)構(gòu)適中，燃料容器尺寸小，可立即增壓以及易于存儲和運(yùn)輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)；迄今為止，已經(jīng)成功地以商業(yè)規(guī)模生產(chǎn)了由甲醇和乙醇制成的直接液體燃料電池。盡管它們已經(jīng)有了一定的影響，受制于一些關(guān)鍵材料與技術(shù)，其大規(guī)模的商業(yè)化應(yīng)用仍然面臨巨大挑戰(zhàn)。為此，研究者們花費(fèi)了大量的精力去推動直接液體燃料電池技術(shù)的發(fā)展。直接液體燃料電池的關(guān)鍵材料主要包括電催化劑與聚合物電解質(zhì)膜。鑒于近年來取得的一系列進(jìn)展，本書將圍繞直接液體燃料電池的特點(diǎn)、組成、結(jié)構(gòu)從燃料電池的關(guān)鍵材料和技術(shù)出發(fā)，重點(diǎn)介紹當(dāng)今直接液體燃料電池在電極材料、離子交換膜、膜電極及電池集成技術(shù)的進(jìn)展，并對其他具有潛在應(yīng)用價(jià)值的液體燃料電催化給予關(guān)注。本書的內(nèi)容與素材主要來自專業(yè)研究人員的研究報(bào)道與研究經(jīng)驗(yàn)。鑒于術(shù)業(yè)有專攻，本書將直接液體燃料電池的內(nèi)容分為陽極催化劑、陰極催化劑、質(zhì)子交換膜、膜電極技術(shù)、電池集成及應(yīng)用、堿性燃料電池技術(shù)與其他相關(guān)液體燃料電催化技術(shù)。
本書由揚(yáng)州大學(xué)馮立綱教授負(fù)責(zé)組織并對內(nèi)容進(jìn)行審核。全書以第1章緒論開篇，由揚(yáng)州大學(xué)馮立綱教授概述了直接液體燃料電池的相關(guān)概念、關(guān)鍵材料與電池結(jié)構(gòu)、電池的性能評價(jià)，為以后章節(jié)的分類介紹進(jìn)行鋪墊。第2章介紹了陽極電催化劑的相關(guān)內(nèi)容，由華南理工大學(xué)崔志明教授和余素云博士撰寫，涵蓋了小分子燃料電催化的機(jī)理、催化劑的設(shè)計(jì)及制備、表征技術(shù)及性能評價(jià)、催化性能的深層次理解等。第3章講述了陰極催化劑的相關(guān)內(nèi)容，由山東大學(xué)張進(jìn)濤教授、舒欣欣和陳思博士撰寫，包括陰極側(cè)氧還原反應(yīng)的原理與催化劑測量技術(shù)、催化劑性能評價(jià)、催化劑的設(shè)計(jì)及制備、催化劑理論模擬及催化機(jī)理和催化劑的發(fā)展現(xiàn)狀等。第4章是關(guān)于質(zhì)子交換膜的相關(guān)內(nèi)容，由武漢理工大學(xué)唐浩林教授和王朝博士負(fù)責(zé)，主要講述了質(zhì)子交換膜材料的分類與表征方法，并闡述了全氟磺酸質(zhì)子交換膜的特點(diǎn)、性質(zhì)、應(yīng)用及新型全氟磺酸質(zhì)子交換膜的發(fā)展趨勢等。膜電極作為電池的核心發(fā)電部件在第5章進(jìn)行了詳細(xì)介紹，由經(jīng)驗(yàn)豐富的中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所王素力研究員負(fù)責(zé)撰寫，其主要內(nèi)容包括膜電極的概念、表征及制備技術(shù)和相關(guān)制備工藝對性能的影響等。第6章直接液體燃料電池技術(shù)，由中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）的蔡衛(wèi)衛(wèi)教授負(fù)責(zé)，重點(diǎn)介紹了燃料電池的進(jìn)料方式、關(guān)鍵技術(shù)、燃料電池的數(shù)學(xué)模型及數(shù)值模擬和電池集成技術(shù)。近年來，堿性直接液體燃料電池越來越多地受到人們的關(guān)注，第7章側(cè)重于在堿性條件運(yùn)行的液體燃料電池技術(shù)，由北京航空航天大學(xué)盧善富教授和張勁博士負(fù)責(zé)撰寫，其內(nèi)容包括堿性直接液體燃料電池的概念、原理、催化劑、陰離子交換膜等。除了比較常見的直接醇類燃料電池，其他一些富氫液體小分子燃料也得到了研究者的關(guān)注，因此，第8章由深圳大學(xué)的宋中心和鄧曉輝博士、符顯珠教授負(fù)責(zé)，介紹了一些潛在液體小分子燃料，比如二甲醚、硼氫化物、氨、肼、尿素等，并對其電催化氧化特點(diǎn)、電極材料進(jìn)行了闡述。
本書的相關(guān)章節(jié)均來自該領(lǐng)域的知名教授或一線科研人員，他們根據(jù)自己的研究經(jīng)驗(yàn)與知識結(jié)構(gòu)，盡量做到將該領(lǐng)域的基本知識與研究進(jìn)展呈現(xiàn)給讀者，力求做到內(nèi)容覆蓋較全面又突出重點(diǎn)。本書深入淺出，不僅具有專業(yè)性較強(qiáng)的知識體系探討，也具有研究進(jìn)展的科普知識介紹，可以供大中專院校的學(xué)生及專業(yè)研究領(lǐng)域的研究人員閱讀參考。
本書的撰寫得到了一些朋友的幫助和支持，然而由于時(shí)間問題和學(xué)識水平有限，難免出現(xiàn)一些不足，敬請讀者批評指正。

編著者

第1章 緒論1
1.1　直接液體燃料電池概述2
1.1.1　直接液體燃料電池概況2
1.1.2　直接液體燃料電池工作原理5
1.2　直接液體燃料電池基本結(jié)構(gòu)8
1.2.1　膜電極8
1.2.2　雙極板10
1.2.3　端板11
1.2.4　流場12
1.2.5　密封性12
1.2.6　輔助設(shè)備12
1.3　直接液體燃料電池的分類13
1.4　直接液體燃料電池關(guān)鍵材料20
1.4.1　催化劑20
1.4.2　載體21
1.4.3　固體電解質(zhì)22
1.5　直接液體燃料電池性能評價(jià)26
1.5.1　極化曲線26
1.5.2　功率密度和能量密度28
1.5.3　長效性29
1.6　總結(jié)與展望30
參考文獻(xiàn)31

第2章 陽極催化劑41　
2.1　陽極反應(yīng)氧化機(jī)理42
2.1.1　甲醇電氧化機(jī)理42
2.1.2　乙醇電氧化機(jī)理44
2.1.3　甲酸電氧化機(jī)理45
2.2　陽極催化劑46
2.2.1　甲醇電氧化催化劑46
2.2.2　乙醇電氧化催化劑59
2.2.3　甲酸電氧化催化劑61
2.3　催化劑制備技術(shù)63
2.3.1　浸漬-液相還原法63
2.3.2　膠體法65
2.3.3　微乳法67
2.3.4　電化學(xué)法68
2.3.5　氣相還原法69
2.3.6　氣相沉積法70
2.3.7　高溫合金化法70
2.3.8　羰基簇合物法70
2.3.9　預(yù)沉積法71
2.3.10　離子液體法71
2.3.11　噴霧熱解法72
2.3.12　固相反應(yīng)方法73
2.3.13　多醇過程法73
2.3.14　微波法74
2.3.15　組合法74
2.3.16　離子交換法74
2.3.17　輻照法75
2.4　催化劑表征技術(shù)75
2.4.1　物理表征76
2.4.2　電化學(xué)表征83
2.5　總結(jié)與展望90
參考文獻(xiàn)91

第3章 陰極催化劑108　
3.1　電催化氧還原機(jī)理109
3.2　氧還原測試技術(shù)113
3.2.1　電化學(xué)測量暫態(tài)技術(shù)113
3.2.2　電化學(xué)測量穩(wěn)態(tài)技術(shù)115
3.2.3　旋轉(zhuǎn)環(huán)盤電極117
3.3　催化劑性能評價(jià)118
3.3.1　活性118
3.3.2　選擇性121
3.3.3　穩(wěn)定性及抗中毒能力123
3.4　催化劑理論設(shè)計(jì)124
3.4.1　理論基礎(chǔ)124
3.4.2　理論模型126
3.5　催化劑材料131
3.5.1　貴金屬催化劑131
3.5.2　非貴金屬催化劑139
3.6　催化機(jī)理149
3.6.1　結(jié)構(gòu)效應(yīng)149
3.6.2　電子效應(yīng)150
3.6.3　粒徑效應(yīng)151
3.7　可實(shí)用化催化劑152
3.8　總結(jié)與展望162
3.9　致謝163
參考文獻(xiàn)163

第4章 燃料電池質(zhì)子交換膜材料179
4.1　概述180
4.2　質(zhì)子交換膜材料類型181
4.2.1　全氟磺酸樹脂材料182
4.2.2　碳?xì)渚酆衔锬げ牧?83
4.2.3　芳族聚合物膜材料183
4.2.4　酸堿基聚合物材料184
4.3　質(zhì)子交換膜的表征方法185
4.3.1　小角X射線散射和小角度中子散射185
4.3.2　顯微鏡：一種直觀的結(jié)構(gòu)研究技術(shù)186
4.3.3　熱試驗(yàn)與動態(tài)力學(xué)性能189
4.3.4　正電子湮沒壽命譜191
4.3.5　介電弛豫：理解離子輸運(yùn)與結(jié)構(gòu)的關(guān)系191
4.4　全氟磺酸質(zhì)子交換膜192
4.4.1　Nafion形態(tài)學(xué)193
4.4.2　Nafion的力學(xué)性能196
4.4.3　Nafion膜的電化學(xué)性質(zhì)197
4.5　全氟磺酸樹脂膜材料的其他應(yīng)用200
4.5.1　化學(xué)氣氛傳感器200
4.5.2　氯堿電池隔膜材料200
4.5.3　鋰硫電池功能分離器201
4.6　新型納米結(jié)構(gòu)的全氟磺酸電解質(zhì)材料202
4.6.1　介孔結(jié)構(gòu)Nafion膜材料202
4.6.2　雜化納米結(jié)構(gòu)質(zhì)子交換膜204
4.6.3　酸堿基質(zhì)子傳導(dǎo)電解質(zhì)材料205
4.7　總結(jié)與展望207
參考文獻(xiàn)207

第5章 膜電極215
5.1　膜電極概念216
5.1.1　膜電極簡介216
5.1.2　擴(kuò)散層221
5.2　膜電極的表征222
5.2.1　膜電極物理表征222
5.2.2　膜電極電化學(xué)測試226
5.3　膜電極的制備過程228
5.3.1　催化劑層的制備方法229
5.3.2　擴(kuò)散層制備233
5.4　有序化膜電極233
5.4.1　介觀尺度有序電極研究進(jìn)展234
5.4.2　微觀尺度有序電極研究進(jìn)展239
5.5　自增濕膜電極244
5.6　總結(jié)與展望245
參考文獻(xiàn)245

第6章 直接液體燃料電池技術(shù)253
6.1　直接液體燃料電池進(jìn)料方式254
6.1.1　主動式直接液體燃料電池254
6.1.2　被動式直接液體燃料電池256
6.2　直接液體燃料電池關(guān)鍵技術(shù)258
6.2.1　流場及集流體設(shè)計(jì)258
6.2.2　阻燃料（醇）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)260
6.2.3　兩相管理及燃料傳質(zhì)優(yōu)化265
6.3　直接液體燃料電池模型及數(shù)值模擬270
6.3.1　建立燃料電池?cái)?shù)學(xué)模型的意義270
6.3.2　燃料電池?cái)?shù)學(xué)模型的分類與特點(diǎn)271
6.3.3　直接液體燃料電池?cái)?shù)值模擬274
6.4　直接液體燃料電池集成技術(shù)276
6.4.1　微型直接液體燃料電池技術(shù)276
6.4.2　直接液體燃料電池電堆集成技術(shù)280
6.5　電池穩(wěn)定性及衰減分析281
6.6　總結(jié)與展望284
參考文獻(xiàn)285

第7章 堿性直接液體燃料電池289
7.1　概述290
7.2　堿性直接液體燃料電池工作原理291
7.3　催化劑293
7.3.1　陽極催化劑293
7.3.2　陰極催化劑299
7.4　陰離子交換膜310
7.4.1　堿性陰離子交換膜的物質(zhì)傳輸與電導(dǎo)率310
7.4.2　堿性陰離子交換膜的穩(wěn)定性313
7.5　堿性直接液體燃料電池面臨的挑戰(zhàn)317
7.6　總結(jié)與展望318
參考文獻(xiàn)319

第8章 其他液體燃料電催化氧化329
8.1　二甲醚燃料330
8.1.1　電催化氧化概述331
8.1.2　電極材料332
8.2　硼氫化物燃料334
8.2.1　電催化氧化概述335
8.2.2　電極材料336
8.3　氨燃料340
8.3.1　電催化氧化概述342
8.3.2　電極材料342
8.4　肼燃料344
8.4.1　電催化氧化概述345
8.4.2　電極材料346
8.5　尿素燃料348
8.5.1　電催化氧化概述349
8.5.2　電極材料350
8.6　總結(jié)與展望351
參考文獻(xiàn)352
　
索引357