氫燃料電池：關鍵材料與技術（簡體書）

《氫燃料電池： 關鍵材料與技術》是“先進電化學能源存儲與轉化技術叢書”分冊之一。本書聚焦氫燃料電池這一實現碳中和的關鍵新能源技術，依據作者團隊以及國內外研究人員的研究進展, 從基礎科學理論與工程技術應用兩個方面進行了系統深入的介紹。全面闡述了氫燃料電池的基礎運行原理以及各部分關鍵材料（如質子交換膜，膜電極，陰、陽極電催化劑）的作用與設計思路，還系統介紹了電堆技術以及其他相關的燃料電池技術。本書從簡單的電化學原理與案例入手，深入淺出，具有較好的可讀性。本書不僅適合從事新能源、電化學等相關領域的研究人員、工程技術人員閱讀參考，也可供高等院校相關專業的師生作為教材使用。

本書從基礎科學理論與工程技術應用兩個方面對氫燃料電池進行了系統深入的介紹，全面介紹了氫燃料電池的基礎運行原理以及各部分關鍵材料（如質子交換膜，膜電極，陰、陽極電催化劑）的作用與設計思路，此外還系統地介紹了電堆技術以及其他相關的燃料電池技術。

當今世界能源結構80% 依賴於傳統的化石能源，然而化石能源的資源有限性及其在使用過程中帶來的環境污染和碳排放問題成為了全球關注的焦點問題。隨著世界各國對氣候問題的日益重視，發展“低碳經濟”已經成為實現未來經濟可持續發展的共識。2020年9月，我國在第75 屆聯合國大會一般性辯論中莊嚴承諾，中國力爭於2030年前實現碳達峰、2060年前實現碳中和。作為化石能源的替代，以太陽能、風能等為代表的可再生能源具有清潔、高效、綠色的特點，可以從根本上解決化石能源帶來的環境污染和碳排放問題。然而，這些能源形式固有的間歇性、波動性和隨機性對高效率的能量儲存和轉換方式提出了要求。
在諸多能量轉換裝置中，基於氫能源系統的質子交換膜燃料電池技術以其能量轉換效率高、環境友好等優點受到了科研工作者的廣泛關注。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能源形式、實現“低碳經濟”的重要選擇之一。而質子交換膜燃料電池能夠通過電化學過程將氫能直接轉化為電能，不經過熱能-機械能轉化，故不受卡諾循環限制，轉化效率高，是最有效的利用氫能的手段。自20 世紀70年代，人們就已經開始進行利用氫能來解決全球性能源與環境問題的嘗試，經過數十年研究與探索，取得了一系列的進展，奠定了氫能大規模應用的理論及技術基礎。
質子交換膜燃料電池技術作為氫能源系統的核心技術，是近幾十年的研究重點。由於質子交換膜燃料電池能夠在相對低溫下工作，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備的電源，因而備受學術界和工業界的青睞。質子交換膜燃料電池包括質子交換膜、催化劑層、氣體擴散層、雙極板等多個組成部分，相關研究涉及電化學基本原理、材料設計、水熱管理、模擬仿真等多個方面。目前，國內外已有數部專著對質子交換膜燃料電池進行介紹，但近年來，相關領域的發展日新月異，每年都有大量針對催化劑的制備、膜結構的設計和優化、電池體系仿真等方面的研究成果涌現。因此，對質子交換膜燃料電池技術及其研究進展進行系統的歸納和總結，有利於我國相關研究人員在進入這一領域時能夠對本領域有更為全面且實時的了解。
本書共8章。第1章介紹氫燃料電池基本原理、結構及相關電化學反應（李箐、何大平、程年才、王譚源負責撰寫），第2章介紹膜電極關鍵組件的工作機理及性能需求（程年才、吳威、王子辰負責撰寫），第3章重點介紹各類質子交換膜的結構特點、合成方法及性能參數（王正幫、薛萍、唐浩林負責撰寫），第4章主要介紹氫燃料電池陰極氧氣還原反應鉑基貴金屬催化劑的設計思路和研究進展（李箐、梁嘉順負責撰寫），第5章主要介紹陰極氧氣還原反應非貴金屬催化劑的研究進展（何大平、晉慧慧負責撰寫），第6章聚焦於燃料電池多場耦合下的宏觀性能仿真研究（陳黎、何璞、方文振負責撰寫），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）的原理及關鍵材料研究進展（程年才、陳潤喆負責撰寫），第8章介紹燃料電池電堆的設計原理和發展方向（郭偉負責撰寫）。
由於本領域仍處於高速發展的階段，相關學術論文眾多，且目前對某些問題的觀點尚未一致，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 氫質子交換膜燃料電池原理及概述1
1.1 燃料電池化學熱力學2
1.1.1 燃料電池發展簡介2
1.1.2 燃料電池工作原理3
1.1.3 反應焓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7
1.1.7 壓力效應8
1.2 電極反應9
1.2.1 電極反應動力學9
1.2.2 電壓損耗12
1.2.3 燃料電池的電勢分布16
1.2.4 極化曲線17
1.3 燃料電池電解質21
1.4 催化層23
1.5 多孔擴散層25
1.6 雙極板27
1.6.1 雙極板的功能及特徵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37

第2章 膜電極設計42
2.1 膜電極簡介43
2.2 傳統膜電極的制備44
2.2.1 轉印法45
2.2.2 噴塗法46
2.2.3 電化學沉積法47
2.3 膜電極的降解機制47
2.3.1 質子交換膜衰減機理48
2.3.2 催化層衰減機理49
2.3.3 氣體擴散層衰減機理49
2.4 膜電極的優化設計50
2.4.1 催化層優化設計50
2.4.2 質子交換膜優化設計54
2.4.3 擴散層優化設計56
2.4.4 GDL/CL/PEM 界面結構優化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 質子導體有序化膜電極62
2.5.4 有序化膜電極發展前景63
參考文獻63

第3章 質子交換膜69
3.1 質子交換膜簡介70
3.2 全氟磺酸質子交換膜72
3.2.1 分子結構72
3.2.2 分子合成74
3.2.3 微觀結構和質子傳導性能76
3.2.4 耐久性79
3.3 部分氟化質子交換膜83
3.3.1 磺化聚三氟苯乙烯結構84
3.3.2 輻射接枝型結構84
3.4 非氟化質子交換膜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 磺化聚苯並咪唑90
3.5 復合質子交換膜92
3.5.1 機械增強型復合質子交換膜93
3.5.2 高溫型復合質子交換膜95
3.6 無機質子交換膜98
3.7 質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 復合成型工藝100
3.8 質子交換膜的性能參數和表征方法100
3.8.1 厚度101
3.8.2 離子交換容量101
3.8.3 質子電導率102
3.8.4 氫氣滲透率103
3.8.5 機械強度104
3.8.6 吸水溶脹率104
3.8.7 機械穩定性105
3.8.8 化學穩定性105
3.9 總結與展望106
參考文獻106

第4章 陰極氧氣還原反應催化劑研究進展——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 氧還原過程的機理研究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估126
4.4 低鉑氧還原催化劑的研究進展128
4.4.1 零維鉑基納米晶催化劑128
4.4.2 鉑基核殼結構納米晶催化劑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 鉑基有序結構納米晶催化劑153
4.5 總結與展望159
參考文獻160

第5章 陰極氧氣還原反應催化劑研究進展——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展174
5.3.1 非貴過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定性問題195
5.5 總結與展望198
參考文獻198

第6章 質子交換膜燃料電池多尺度多場耦合過程的建模及仿真210
6.1 質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數值模型212
6.2.1 計算域213
6.2.2 守恒方程213
6.2.3 邊界條件219
6.2.4 典型宏觀仿真結果220
6.3 擴散層孔尺度模擬223
6.3.1 擴散層結構重構224
6.3.2 擴散層有效輸運參數預測225
6.3.3 擴散層孔隙尺度兩相流動227
6.4 催化層孔尺度模擬230
6.4.1 催化層結構重構230
6.4.2 有效擴散系數231
6.4.3 有效質子電導率233
6.4.4 反應輸運過程及結構優化234
6.4.5 催化層孔尺度兩相反應輸運過程235
6.4.6 低Pt 傳質阻力研究235
6.5 總結與展望238
參考文獻238

第7章 其他氫氧燃料電池的原理及關鍵材料研究進展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256
7.2.3 PAFC 電極和催化劑的發展概況257
7.2.4 PAFC 的性能和影響因素261
7.2.5 PAFC 電站技術的發展概況264
7.2.6 總結與展望265
參考文獻266

第8章 燃料電池電堆技術272
8.1 燃料電池單電池和電堆結構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 典型的商業化電堆284
8.5.1 典型的石墨板和復合板電堆284
8.5.2 典型的金屬雙極板電堆285
8.6 電堆術語286
參考文獻288

索引291