先进电化学能源存储与转化技术丛书–氢燃料电池：关键材料与技术

本书从基础科学理论与工程技术应用两个方面对氢燃料电池进行了系统深入的介绍，全面介绍了氢燃料电池的基础运行原理以及各部分关键材料（如质子交换膜，膜电极，阴、阳极电催化剂）的作用与设计思路，此外还系统地介绍了电堆技术以及其他相关的燃料电池技术。

《氢燃料电池： 关键材料与技术》是“先进电化学能源存储与转化技术丛书”分册之一。本书聚焦氢燃料电池这一实现碳中和的关键新能源技术，依据作者团队以及国内外研究人员的研究进展, 从基础科学理论与工程技术应用两个方面进行了系统深入的介绍。全面阐述了氢燃料电池的基础运行原理以及各部分关键材料（如质子交换膜，膜电极，阴、阳极电催化剂）的作用与设计思路，还系统介绍了电堆技术以及其他相关的燃料电池技术。本书从简单的电化学原理与案例入手，深入浅出，具有较好的可读性。本书不仅适合从事新能源、电化学等相关领域的研究人员、工程技术人员阅读参考，也可供高等院校相关专业的师生作为教材使用。

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第1章 氢质子交换膜燃料电池原理及概述1
1.1 燃料电池化学热力学2
1.1.1 燃料电池发展简介2
1.1.2 燃料电池工作原理3
1.1.3 反应焓4
1.1.4 做功潜能5
1.1.5 燃料电池效率6
1.1.6 温度效应7
1.1.7 压力效应8
1.2 电极反应9
1.2.1 电极反应动力学9
1.2.2 电压损耗12
1.2.3 燃料电池的电势分布16
1.2.4 极化曲线17
1.3 燃料电池电解质21
1.4 催化层23
1.5 多孔扩散层25
1.6 双极板27
1.6.1 双极板的功能及特征27
1.6.2 双极板材料的分类28
1.6.3 双极板的制备31
1.7 燃料电池水热管理34
参考文献37

第2章 膜电极设计42
2.1 膜电极简介43
2.2 传统膜电极的制备44
2.2.1 转印法45
2.2.2 喷涂法46
2.2.3 电化学沉积法47
2.3 膜电极的降解机制47
2.3.1 质子交换膜衰减机理48
2.3.2 催化层衰减机理49
2.3.3 气体扩散层衰减机理49
2.4 膜电极的优化设计50
2.4.1 催化层优化设计50
2.4.2 质子交换膜优化设计54
2.4.3 扩散层优化设计56
2.4.4 GDL/CL/PEM 界面结构优化57
2.5 有序化膜电极57
2.5.1 载体材料有序化催化层58
2.5.2 催化剂有序化膜电极60
2.5.3 质子导体有序化膜电极62
2.5.4 有序化膜电极发展前景63
参考文献63

第3章 质子交换膜69
3.1 质子交换膜简介70
3.2 全氟磺酸质子交换膜72
3.2.1 分子结构72
3.2.2 分子合成74
3.2.3 微观结构和质子传导性能76
3.2.4 耐久性79
3.3 部分氟化质子交换膜83
3.3.1 磺化聚三氟苯乙烯结构84
3.3.2 辐射接枝型结构84
3.4 非氟化质子交换膜85
3.4.1 磺化聚醚醚酮85
3.4.2 磺化聚醚砜87
3.4.3 磺化聚酰亚胺88
3.4.4 磺化聚苯并咪唑90
3.5 复合质子交换膜92
3.5.1 机械增强型复合质子交换膜93
3.5.2 高温型复合质子交换膜95
3.6 无机质子交换膜98
3.7 质子交换膜的成膜工艺99
3.7.1 挤出成型工艺99
3.7.2 溶液成型工艺100
3.7.3 复合成型工艺100
3.8 质子交换膜的性能参数和表征方法100
3.8.1 厚度101
3.8.2 离子交换容量101
3.8.3 质子电导率102
3.8.4 氢气渗透率103
3.8.5 机械强度104
3.8.6 吸水溶胀率104
3.8.7 机械稳定性105
3.8.8 化学稳定性105
3.9 总结与展望106
参考文献106

第4章 阴极氧气还原反应催化剂研究进展——贵金属催化剂116
4.1 研究背景117
4.2 低铂氧还原催化剂的理论研究120
4.2.1 氧还原过程的机理研究120
4.2.2 d带重心理论122
4.3 低铂氧还原催化剂的性能评估126
4.4 低铂氧还原催化剂的研究进展128
4.4.1 零维铂基纳米晶催化剂128
4.4.2 铂基核壳结构纳米晶催化剂139
4.4.3 铂基空心纳米框架催化剂146
4.4.4 一维铂基纳米晶催化剂149
4.4.5 铂基有序结构纳米晶催化剂153
4.5 总结与展望159
参考文献160

第5章 阴极氧气还原反应催化剂研究进展——非贵金属催化剂170
5.1 研究背景171
5.2 氧还原催化剂的理论研究172
5.3 非贵金属氧还原催化剂的研究进展174
5.3.1 非贵过渡金属氧还原催化剂174
5.3.2 非金属催化剂187
5.4 非贵金属氧还原催化剂的稳定性问题195
5.5 总结与展望198
参考文献198

第6章 质子交换膜燃料电池多尺度多场耦合过程的建模及仿真210
6.1 质子交换膜燃料电池工作原理211
6.2 宏观三维两相流全电池数值模型212
6.2.1 计算域213
6.2.2 守恒方程213
6.2.3 边界条件219
6.2.4 典型宏观仿真结果220
6.3 扩散层孔尺度模拟223
6.3.1 扩散层结构重构224
6.3.2 扩散层有效输运参数预测225
6.3.3 扩散层孔隙尺度两相流动227
6.4 催化层孔尺度模拟230
6.4.1 催化层结构重构230
6.4.2 有效扩散系数231
6.4.3 有效质子电导率233
6.4.4 反应输运过程及结构优化234
6.4.5 催化层孔尺度两相反应输运过程235
6.4.6 低Pt 传质阻力研究235
6.5 总结与展望238
参考文献238

第7章 其他氢氧燃料电池的原理及关键材料研究进展243
7.1 碱性燃料电池244
7.1.1 原理及概述244
7.1.2 HOR 催化剂246
7.1.3 ORR 催化剂249
7.1.4 阴离子交换膜252
7.1.5 总结与展望254
7.2 磷酸燃料电池255
7.2.1 PAFC 工作原理255
7.2.2 磷酸电解质256
7.2.3 PAFC 电极和催化剂的发展概况257
7.2.4 PAFC 的性能和影响因素261
7.2.5 PAFC 电站技术的发展概况264
7.2.6 总结与展望265
参考文献266

第8章 燃料电池电堆技术272
8.1 燃料电池单电池和电堆结构273
8.2 燃料电池电堆核心零部件275
8.2.1 密封组件275
8.2.2 端板与集流体278
8.3 电堆组装281
8.3.1 组装方式281
8.3.2 组装形式282
8.3.3 组装工艺流程283
8.4 电堆合格条件283
8.5 典型的商业化电堆284
8.5.1 典型的石墨板和复合板电堆284
8.5.2 典型的金属双极板电堆285
8.6 电堆术语286
参考文献288

索引291

当今世界能源结构80% 依赖于传统的化石能源，然而化石能源的资源有限性及其在使用过程中带来的环境污染和碳排放问题成为了全球关注的焦点问题。随着世界各国对气候问题的日益重视，发展“低碳经济”已经成为实现未来经济可持续发展的共识。2020年9月，我国在第75 届联合国大会一般性辩论中庄严承诺，中国力争于2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和。作为化石能源的替代，以太阳能、风能等为代表的可再生能源具有清洁、高效、绿色的特点，可以从根本上解决化石能源带来的环境污染和碳排放问题。然而，这些能源形式固有的间歇性、波动性和随机性对高效率的能量储存和转换方式提出了要求。
在诸多能量转换装置中，基于氢能源系统的质子交换膜燃料电池技术以其能量转换效率高、环境友好等优点受到了科研工作者的广泛关注。氢能是一种清洁可再生的二次能源，且能量密度极高，是替代化石能源等传统能源形式、实现“低碳经济”的重要选择之一。而质子交换膜燃料电池能够通过电化学过程将氢能直接转化为电能，不经过热能-机械能转化，故不受卡诺循环限制，转化效率高，是最有效的利用氢能的手段。自20 世纪70年代，人们就已经开始进行利用氢能来解决全球性能源与环境问题的尝试，经过数十年研究与探索，取得了一系列的进展，奠定了氢能大规模应用的理论及技术基础。
质子交换膜燃料电池技术作为氢能源系统的核心技术，是近几十年的研究重点。由于质子交换膜燃料电池能够在相对低温下工作，热损耗小，且体积小、重量轻，非常适合作为汽车和其他便携式设备的电源，因而备受学术界和工业界的青睐。质子交换膜燃料电池包括质子交换膜、催化剂层、气体扩散层、双极板等多个组成部分，相关研究涉及电化学基本原理、材料设计、水热管理、模拟仿真等多个方面。目前，国内外已有数部专著对质子交换膜燃料电池进行介绍，但近年来，相关领域的发展日新月异，每年都有大量针对催化剂的制备、膜结构的设计和优化、电池体系仿真等方面的研究成果涌现。因此，对质子交换膜燃料电池技术及其研究进展进行系统的归纳和总结，有利于我国相关研究人员在进入这一领域时能够对本领域有更为全面且实时的了解。
本书共8章。第1章介绍氢燃料电池基本原理、结构及相关电化学反应（李箐、何大平、程年才、王谭源负责撰写），第2章介绍膜电极关键组件的工作机理及性能需求（程年才、吴威、王子辰负责撰写），第3章重点介绍各类质子交换膜的结构特点、合成方法及性能参数（王正帮、薛萍、唐浩林负责撰写），第4章主要介绍氢燃料电池阴极氧气还原反应铂基贵金属催化剂的设计思路和研究进展（李箐、梁嘉顺负责撰写），第5章主要介绍阴极氧气还原反应非贵金属催化剂的研究进展（何大平、晋慧慧负责撰写），第6章聚焦于燃料电池多场耦合下的宏观性能仿真研究（陈黎、何璞、方文振负责撰写），第7章拓展介绍其他氢燃料电池（碱性燃料电池和磷酸燃料电池）的原理及关键材料研究进展（程年才、陈润喆负责撰写），第8章介绍燃料电池电堆的设计原理和发展方向（郭伟负责撰写）。
由于本领域仍处于高速发展的阶段，相关学术论文众多，且目前对某些问题的观点尚未一致，加之编著者水平有限及篇幅的限制，书中疏漏在所难免，希望广大读者指正。

编著者