质子交换膜燃料电池关键材料与技术

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