质子交换膜燃料电池关键材料与技术

近年来，伴随经济的快速发展，我国乃至全球面临日益严重的能源短缺和环境污染问题，迫切需要大力发展清洁、可再生的新能源技术。质子交换膜燃料电池是将化学能直接转化为电能的发电装置，具有运行温度低、能量转化效率高、能量密度高、启动快、清洁等优点，是未来清洁能源的理想选择。目前，正在着力解决以质子交换膜燃料电池为动力的电动汽车大规模产业化问题，其进一步发展很可能带来世界范围内汽车工业的革命，减少各国对化石能源的过度依赖。此外，清洁燃料电池汽车的广泛使用可大量减少汽车尾气的排放，为雾霾的根治提供一个可能的解决方案。
早在1966年，通用汽车公司就开发了世界上第一辆燃料电池公路车辆，该车使用质子交换膜燃料电池为动力源，行驶里程约为193km，最高速度可达113km/h。近年来，美国、欧盟、日本、韩国和我国都投入了大量的资金和人力推动燃料电池汽车的研究。通用、福特、巴拉德、克莱斯勒、丰田、本田、奔驰、上汽、福田、宇通等公司都相继研发出燃料电池汽车。国内外科学研究人员的深入研究，使得质子交换膜燃料电池在性能、寿命及成本等方面得到了长足的发展，并且在交通、便携式电源以及分布式发电等领域得到了广泛的应用，逐步推进了其商业化。近年来，国内外政府都在加大质子交换膜燃料电池的科学研究和产业化研究方面的投入。
质子交换膜燃料电池由催化剂材料、质子交换膜、气体扩散层、双极板、空气压缩机、增湿器、氢循环泵等关键部件组成，每个关键部件的材料、性能、运行技术都会直接影响电池的最终性能。国内外知名研究所、高校和企业研发人员进行了大量的研究工作，发表了最新的科研成果，取得了很大成绩。《质子交换膜燃料电池关键材料与技术》将这些最新的研究成果和编著者长期从事质子交换膜燃料电池关键材料、相关技术研究与开发工作的经验进行整理和总结，为从事和关注质子交换膜燃料电池研究与应用的研究人员提供参考。
本书共分为7章，向读者概述了质子交换膜燃料电池的发展史、工作原理、组成及特点；系统介绍了质子交换膜燃料电池的质子交换膜、催化剂、膜电极工艺、双极板与流场、空气压缩机和氢循环泵、低温启动技术；综述了质子交换膜燃料电池相关材料与技术的最新科研进展；总结了质子交换膜燃料电池的产业化进展；指出了质子交换膜燃料电池科学研究和产业化发展的方向。
全书框架结构由南京大学刘建国教授设计组织，并负责过程细节讨论，以及最后文字的定稿。具体由刘建国教授与李佳博士共同撰写第1章和第2章，芮志岩撰写第3章，叶遥立博士撰写第4章，谢铭丰博士撰写第5章，解云撰写第6章，梁栋博士撰写第7章。
由于编著者学识和能力有限，书中疏漏之处在所难免，敬请读者批评指正，编著者表示由衷感谢。

编著者
2021年2月

《质子交换膜燃料电池关键材料与技术》论述了质子交换膜燃料电池的基本原理、结构、性能、关键材料、发展现状以及在交通运输领域的应用。本书共分7章，内容包括质子交换膜燃料电池的发展史、工作原理、组成及特点；系统介绍了质子交换膜燃料电池的质子交换膜、催化剂、膜电极工艺、双极板与流场、空气压缩机和氢循环泵、低温启动技术；综述了质子交换膜燃料电池相关材料与技术的最新科研进展；总结了质子交换膜燃料电池的产业化进展；指出了质子交换膜燃料电池科学研究和产业化发展的方向。
本书内容力求全面,可供质子交换膜燃料电池研究和应用领域的工程技术人员、研究生、教学人员以及管理人员阅读参考，也可供对质子交换膜燃料电池发展与应用感兴趣的读者阅读。

第1章质子交换膜燃料电池简介001
1.1燃料电池发展史001
1.2燃料电池的分类006
1.2.1质子交换膜燃料电池007
1.2.2碱性燃料电池008
1.2.3熔融碳酸盐燃料电池009
1.2.4固体氧化物燃料电池010
1.2.5直接甲醇燃料电池010
1.3质子交换膜燃料电池的基本原理011
1.4质子交换膜燃料电池的组成013
1.4.1催化剂材料013
1.4.2电解质膜014
1.4.3气体扩散层016
1.4.4双极板017
1.4.5空气压缩机018
1.5质子交换膜燃料电池的实际应用018
1.5.1燃料电池汽车018
1.5.2燃料电池轨道交通021
1.5.3燃料电池轮船动力023
参考文献026

第2章催化剂材料及电催化机理研究进展027
2.1电极反应027
2.1.1阳极反应027
2.1.2阴极反应028
2.2ORR电催化机理028
2.2.1Pt表面的ORR反应机理029
2.2.2非贵金属电催化剂的ORR反应机理030
2.3电催化剂的评价方法032
2.3.1三电极体系032
2.3.2单电池035
2.3.3催化剂研究目标037
2.4铂黑催化剂038
2.4.1制备方法038
2.4.2晶面的影响039
2.4.3形貌的影响041
2.5Pt/C催化剂043
2.5.1粒径大小043
2.5.2降解机制044
2.5.3载体045
2.6Pt-M合金催化剂048
2.6.1二元合金催化剂049
2.6.2多元合金催化剂051
2.7核壳结构电催化剂052
2.7.1制备方法052
2.7.2铂壳层层数054
2.7.3铂单原子层电催化剂055
2.8Pt单原子催化剂057
2.8.1制备方法057
2.8.2展望059
2.9非贵金属催化剂059
2.9.1活性位060
2.9.2M-N-C电催化剂064
2.9.3Metal-Free电催化剂072
2.9.4单电池性能073
2.10展望076
参考文献077

第3章质子交换膜084
3.1概况及要求084
3.2全氟磺酸质子交换膜086
3.3部分氟化质子交换膜089
3.4非氟化质子交换膜090
3.4.1聚苯并咪唑090
3.4.2聚酰亚胺091
3.4.3聚芳醚类聚合物092
3.4.4其他非氟聚合物093
3.5复合质子交换膜094
3.5.1PTFE增强型质子交换膜095
3.5.2基于全氟磺酸树脂的有机-无机复合膜096
3.5.3基于其他树脂的有机-无机复合膜098
3.5.4其他复合型质子交换膜100
参考文献101

第4章膜电极106
4.1概况及要求106
4.1.1膜电极组成及功能106
4.1.2膜电极组件材料概况107
4.1.3膜电极要求108
4.1.4总结110
4.2热压法制备膜电极110
4.2.1热压法制备膜电极简介110
4.2.2热压法制备膜电极研究进展111
4.2.3热压法制备典型过程114
4.2.4热压法总结115
4.3CCM法制备膜电极116
4.3.1CCM法简介116
4.3.2CCM法膜电极研究进展116
4.3.3CCM制备方法120
4.3.4CCM法总结125
4.4有序化膜电极126
4.4.1有序化膜电极简介126
4.4.2有序化膜电极类型126
4.4.3有序化膜电极总结128
4.5气体扩散层129
4.5.1气体扩散层简介129
4.5.2气体扩散层研究进展129
4.5.3气体扩散层总结138
4.6膜电极寿命139
4.6.1简介139
4.6.2质子交换膜失效140
4.6.3催化剂层失效142
4.6.4气体扩散层失效143
4.6.5膜电极寿命总结和展望144
参考文献145

第5章双极板155
5.1概况及要求155
5.1.1双极板的结构与功能156
5.1.2双极板的性能要求157
5.2石墨双极板159
5.3金属双极板161
5.3.1发展现状161
5.3.2常用材料163
5.3.3制造工艺165
5.3.4表面处理技术170
5.3.5焊接工艺173
5.4复合双极板173
5.4.1碳/碳复合板174
5.4.2热固性复合板175
5.4.3热塑性复合板176
5.5流场180
5.5.1流场类型180
5.5.2阴阳极流体流动方式183
5.5.3极板的区块183
5.6新技术及发展趋势186
5.6.1新材料186
5.6.2新制造工艺188
5.6.3不同材料和工艺的竞争188
5.6.4实验室规模到量产规模的放大189
5.7总结189
参考文献191

第6章空压机、增湿器和氢循环泵197
6.1空压机197
6.1.1概述197
6.1.2燃料电池对空压机的特殊要求198
6.1.3空压机关键性能指标198
6.1.4燃料电池空压机主要类型及其特性202
6.2增湿器209
6.2.1概述209
6.2.2外部增湿210
6.2.3内增湿213
6.3氢循环泵215
6.3.1概述215
6.3.2氢循环泵的需求特性217
6.3.3氢循环泵的开发需求特性217
6.3.4引射器218
参考文献220

第7章PEMFC低温环境应用技术222
7.1概述222
7.2PEMFC低温环境应用的技术挑战222
7.2.1PEMFC低温环境应用技术的研究意义223
7.2.2车用PEMFC低温环境应用的技术要求224
7.3PEMFC低温环境应用的衰减机理及对策225
7.3.1PEMFC低温环境应用的核心问题及解决方向226
7.3.2PEMFC低温环境应用的衰减研究227
7.4PEMFC低温环境的应用策略232
7.4.1低温环境的停车策略232
7.4.2低温环境的启动策略232
7.4.3低温启动技术专利发展及分布情况233
7.4.4典型车企的技术现状236
参考文献237

索引238