《質(zhì)子交換膜燃料電池原理及耐久性》一書主要匯集了同濟大學團隊多年從事燃料電池教學和科研方面的成果和最新進展，特別是參與國家新能源汽車、氫能重點專項的研究過程中的工程經(jīng)驗；圍繞質(zhì)子交換膜燃料電池的耐久性展開闡述，首先介紹了燃料電池的熱力學和動力學原理；闡述膜電極組件、雙極板、密封件等關(guān)鍵材料和部件材料、結(jié)構(gòu)、衰退機制與抑制策略；分析了電堆工作環(huán)境、水熱管理和運行工況等外圍因素對電堆壽命的影響；最后還介紹了電堆耐久性快速評估和壽命預測方法。
1概述
1.1燃料電池分類001
1.2燃料電池發(fā)電原理002
1.3燃料電池熱力學005
1.3.1標準電極電勢與可逆電動勢005
1.3.2燃料電池效率計算009
1.4電極反應動力學012
1.5燃料電池堆結(jié)構(gòu)與組成017
1.5.1電堆結(jié)構(gòu)017
1.5.2電堆組成018
1.6燃料電池耐久性現(xiàn)狀及目標020
1.6.1美國能源部的目標020
1.6.2日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機構(gòu)的目標021
1.6.3歐盟燃料電池及氫能合作組織的目標025
1.6.4我國關(guān)于氫能與燃料電池的目標025
1.7小結(jié)028
參考文獻029
2質(zhì)子交換膜：化學和物理衰減
2.1質(zhì)子交換膜簡介031
2.1.1質(zhì)子交換膜的基本要求031
2.1.2質(zhì)子交換膜國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀032
2.2質(zhì)子交換膜結(jié)構(gòu)及優(yōu)缺點034
2.2.1PEM的化學結(jié)構(gòu)034
2.2.2均質(zhì)膜與復合膜優(yōu)缺點035
2.2.3膜電極組成036
2.2.4膜電極結(jié)構(gòu)及功能037
2.2.5膜電極密封結(jié)構(gòu)039
2.3PEM基本性能的評測方法041
2.3.1質(zhì)子電導率041
2.3.2氫滲電流042
2.3.3氟離子溶出042
2.4PEM的降解機理043
2.4.1熱降解043
2.4.2化學降解044
2.4.3機械降解045
2.5PEM降解的緩解方法045
2.5.1熱降解緩解方法045
2.5.2化學降解緩解方法046
2.5.3機械降解緩解方法046
2.6小結(jié)048
參考文獻048
3催化層：化學降解與結(jié)構(gòu)破壞
3.1概述052
3.1.1催化劑的重要作用052
3.1.2催化層與催化劑的關(guān)系053
3.1.3高效MEA的開發(fā)策略056
3.1.4催化劑發(fā)展現(xiàn)狀060
3.2漿料對性能和壽命的影響063
3.2.1催化劑漿料對催化層結(jié)構(gòu)的影響063
3.2.2催化層結(jié)構(gòu)與耐久性的關(guān)系066
3.3電堆活化與恢復方法073
3.3.1電堆活化與耐久性的關(guān)系073
3.3.2電堆恢復活化法介紹073
3.4活性金屬衰退與評價方法078
3.4.1Pt顆粒的團聚與長大079
3.4.2Pt流失與再分布080
3.4.3Pt中毒080
3.4.4催化劑衰退的緩解方法081
3.4.5催化劑衰退的評價方法082
3.5載體衰退與評價方法084
3.5.1碳載體的衰退084
3.5.2載體衰退的緩解方法086
3.5.3載體衰退的評價方法087
3.6離聚物對PEMFC性能的影響及其衰退089
3.6.1離聚物對PEMFC性能的影響089
3.6.2離聚物的衰退機制090
3.7小結(jié)091
參考文獻091
4氣體擴散層：制造工藝及衰退機理
4.1概述102
4.1.1氣體擴散層的基本要求102
4.1.2氣體擴散層國內(nèi)外研究現(xiàn)狀103
4.2氣體擴散層結(jié)構(gòu)與材料及功能與特性104
4.2.1結(jié)構(gòu)與材料104
4.2.2功能與特性106
4.2.3氣體擴散層與極板的相互作用109
4.3氣體擴散層制造方法110
4.3.1碳基材料制造方法110
4.3.2金屬基材料制造方法cm100111
4.3.3疏水處理112
4.4氣體擴散層的理化特性及表征方法113
4.4.1力學性能113
4.4.2導電性114
4.4.3導熱性115
4.4.4透氣率116
4.4.5孔隙率及孔徑分布116
4.4.6親疏水性117
4.5氣體擴散層的衰退機理117
4.5.1物理衰退118
4.5.2化學衰退120
4.6緩解氣體擴散層衰減的策略121
4.6.1優(yōu)化裝配壓力121
4.6.2MPL設(shè)計121
4.7小結(jié)122
參考文獻123
5雙極板與流場：成形方式與腐蝕失效分析
5.1雙極板的功能與性能要求129
5.2雙極板的流場設(shè)計131
5.3雙極板材料133
5.3.1石墨雙極板133
5.3.2復合雙極板134
5.3.3金屬雙極板134
5.4雙極板成形方式135
5.4.1石墨與復合雙極板成形方式135
5.4.2金屬雙極板成形方式136
5.5雙極板組對方式139
5.6衰退機理與抑制策略141
5.6.1衰退機理141
5.6.2提高金屬雙極板耐腐蝕性的策略143
5.7雙極板主要指標及評測方法144
5.7.1氣密性測試144
5.7.2抗彎強度測試145
5.7.3腐蝕電流測試145
5.7.4接觸電阻測試146
5.7.5接觸角測試147
5.8小結(jié)147
參考文獻148
6關(guān)鍵零部件對燃料電池堆耐久性的影響
6.1概述153
6.1.1密封件基本要求153
6.1.2燃料電池密封件國內(nèi)外研究進展154
6.2密封材料選型準則155
6.3PEMFC的密封結(jié)構(gòu)156
6.3.1線密封結(jié)構(gòu)157
6.3.2一體化密封結(jié)構(gòu)157
6.4密封件材料評估方法158
6.4.1物理特性與參數(shù)158
6.4.2化學特性及表征162
6.5密封件加速評估方法166
6.5.1老化對比實驗166
6.5.2加權(quán)選型方法168
6.5.3工程應用前景169
6.6端板及其他電堆輔件170
6.6.1端板的作用170
6.6.2端板對耐久性的影響170
6.6.3其他電堆輔件對耐久性的影響173
6.7小結(jié)75
參考文獻176
7電堆運行條件下的耐久分析
7.1概述178
7.2燃料電池水熱管理180
7.2.1燃料電池中的兩相流180
7.2.2燃料電池水管理183
7.2.3燃料電池熱管理185
7.3電堆運行工況的衰退分析188
7.3.1高電勢引起的衰退188
7.3.2電勢循環(huán)與衰退189
7.3.3反極造成的衰退189
7.3.4啟/停機與氫/空界面190
7.3.5車用工況與衰減192
7.4電堆低溫冷啟動策略197
7.4.1模型研究199
7.4.2實驗方法201
7.4.3工程應用202
7.5小結(jié)204
參考文獻205
8雜質(zhì)氣體對PEMFC性能的影響
8.1氫氣/空氣中的雜質(zhì)來源212
8.1.1傳統(tǒng)制氫技術(shù)213
8.1.2氫氣的提純工藝215
8.1.3新型制氫技術(shù)217
8.1.4大氣污染物來源分析218
8.1.5空氣污染物的去除方法220
8.2雜質(zhì)氣體影響的分析方法221
8.2.1水分分析方法222
8.2.2總烴及無機雜質(zhì)組分分析方法222
8.2.3總硫分析方法223
8.2.4氨分析方法223
8.2.5氯化氫分析方法223
8.2.6顆粒物分析方法223
8.2.7電化學測試分析方法223
8.2.8空氣/氫氣中雜質(zhì)對PEMFC性能影響的測試方法226
8.3氫氣雜質(zhì)對PEMFC的影響228
8.3.1CO對陽極的影響228
8.3.2H2S對陽極的影響233
8.3.3Cl2對陽極的影響234
8.3.4NH3對陽極的影響235
8.3.5CO2對陽極的影響238
8.4空氣雜質(zhì)對PEMFC的影響239
8.4.1N2對陰極的影響240
8.4.2NOx對陰極的影響240
8.4.3SO2對陰極的影響243
8.4.4HxCy對陰極的影響246
8.4.5CO對陰極的影響246
8.4.6協(xié)同影響248
8.5緩解空氣雜質(zhì)對PEMFC影響的策略249
8.5.1空氣過濾器249
8.5.2高電勢氧化法258
8.5.3吹掃法260
8.5.4高溫質(zhì)子交換膜燃料電池(HT-PEMFC)261
8.6小結(jié)262
參考文獻263
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