氫燃料電池：關(guān)鍵材料與技術(shù)

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)動力學(xué)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(zhì)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37
第2章 膜電極設(shè)計42
2.1 膜電極簡介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 膜電極的降解機制47
2.3.1 質(zhì)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(yōu)化設(shè)計50
2.4.1 催化層優(yōu)化設(shè)計50
2.4.2 質(zhì)子交換膜優(yōu)化設(shè)計54
2.4.3 擴散層優(yōu)化設(shè)計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63
第3章 質(zhì)子交換膜69
3.1 質(zhì)子交換膜簡介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 機械增強型復(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 無機質(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 機械強度104
3.8.6 吸水溶脹率104
3.8.7 機械穩(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106
第4章 陰極氧氣還原反應(yīng)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(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160
第5章 陰極氧氣還原反應(yīng)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(wěn)定性問題195
5.5 總結(jié)與展望198
參考文獻198
第6章 質(zhì)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(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數(shù)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(jié)果220
6.3 擴散層孔尺度模擬223
6.3.1 擴散層結(jié)構(gòu)重構(gòu)224
6.3.2 擴散層有效輸運參數(shù)預(yù)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(jié)構(gòu)重構(gòu)230
6.4.2 有效擴散系數(shù)231
6.4.3 有效質(zhì)子電導(dǎo)率233
6.4.4 反應(yīng)輸運過程及結(jié)構(gòu)優(yōu)化234
6.4.5 催化層孔尺度兩相反應(yīng)輸運過程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238
第7章 其他氫氧燃料電池的原理及關(guān)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(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286
參考文獻288
索引291