氢能利用关键技术系列--氢燃料电池

《氢燃料电池》主要汇集了中科院大连化学物理研究所燃料电池团队的燃料电池研究工作进展，内容包括燃料电池概念与原理，质子交换膜、电催化剂、膜电极、双极板等关键材料和部件的研制与测试方法、环境适应性，单电池、燃料电池电堆以及燃料电池系统等的设计与实验方法的研究成果。
本书既可以为燃料电池的研发人员在燃料电池的基础材料、关键部件以及电堆与系统等方面的研发与应用提供借鉴，也可以作为大专院校相关专业学生和老师的学习参考书。本书的出版可为氢能领域的研究和利用人员提供有益参考，为氢能的高效利用提供一定的指导。

1.作者专业——《氢燃料电池》由我国燃料电池的领军者衣宝廉院士领衔编著，衣院士从事燃料电池研究近50年，对燃料电池的理解充分而到位。
2.内容充实——《氢燃料电池》内容涵盖了衣宝廉院士团队多年的研究成果，从燃料电池部件、电堆到系统，阐述全面，可参考性强。
3.行业专著——氢燃料电池是氢能利用的主要方式，本书的出版可为我国氢能的利用提供有价值的指导和可操作性的借鉴。

自1839年英国Grove爵士提出燃料电池发电原理以来，燃料电池作为能量转换装置，由于其高效、环境友好的特性，受到研发人员的重视。同时由于燃料电池部件与系统的复杂程度高、贵金属用量多、成本高、核心材料寿命要求高等特点，燃料电池在20世纪60年代才开始从基础研究走向特殊领域应用，如20世纪60年代美国的宇宙飞船、70年代的航天飞机，以及稍后的德国潜艇等。直至21世纪，燃料电池在降低成本与提高可靠性和耐久性方面取得了长足的进步，才使得燃料电池在汽车动力与民用发电等领域崭露头角，逐步走向人们的日常生活。尤其是2015年日本丰田燃料电池乘用车进入市场以来，在国际上掀起了新一轮燃料电池产业化的热潮。在国内，有关燃料电池的材料、部件、电堆与系统的研发、测试和应用需求不断增长。
为适应燃料电池工程技术人员对燃料电池研究开发与工程实验的需求，本书作者主要基于燃料电池最新的国内外进展，长期从事燃料电池研发的中国科学院大连化学物理研究所燃料电池团队与新源动力有限公司团队，以及国内部分燃料电池研发单位的实践与经验，继2003年出版《燃料电池——原理·技术·应用》之后，撰写本书。主要汇集了大连化学物理研究所燃料电池团队2003年之后燃料电池方面的研究工作进展，涵盖了从质子交换膜、电催化剂、膜电极、双极板等关键材料与部件的研制与测试方法、环境适应性与燃料电池电堆以及燃料电池系统等的设计与实验方法的研究成果。
全书由衣宝廉院士整体构思策划，对各章节的撰写提出具体要求，并对书稿内容的修改完善提出详细意见，最后对全书进行审核与校正。在编写过程中，俞红梅负责第1～6章，参与工作的有宋微（第6章），迟军（第1章、第5章），高学强（第2章），张洪杰、覃博文、谢峰（第3章），蒋尚峰、姚德伟、孙昕野（第4章），李新绘制了部分示意图。新源动力有限公司原总工程师侯中军独立撰写了第7章与第8章。姜广对全书参考文献进行了校核。
感谢国内相关研发单位与学者为本书的编写提供素材：大连理工大学宋玉江教授提供了催化剂研发的进展；武汉理工大学潘牧教授团队、大连新源动力有限公司提供了膜电极研发的进展；广东国鸿公司、上海交通大学、上海神力公司、大连新源动力有限公司提供了双极板的进展。在此，对各方长期以来的支持与配合表示衷心的感谢。
希望本书能为燃料电池的研发人员在燃料电池的基础材料、关键部件以及电堆与系统等方面的研发与应用提供借鉴。
由于工作与认知观点的局限，本书难免存在不足之处，欢迎读者不吝指出，未来作者将进一步完善。

衣宝廉
2020年9月

第1章燃料电池概念与原理/1
1.1氢燃料电池原理/1
1.2氢燃料电池发展简史/3
1.3氢燃料电池的特点、分类及应用/4
1.3.1氢燃料电池的特点/4
1.3.2燃料电池的分类及应用/5
1.4电极过程动力学/7
1.4.1法拉第定律/7
1.4.2电化学反应速率/7
1.4.3电池反应和电极过程/8
1.4.4燃料电池的极化/9
1.4.5电化学极化/11
1.4.6传质极化/12
1.4.7燃料电池的不可逆性/14
1.4.8燃料渗透和内电流/14
1.5电化学热力学/15
1.5.1电极电势/15
1.5.2可逆电动势/16
1.5.3燃料电池的效率/18
1.5.4燃料电池实际效率的影响因素/20
参考文献/25

第2章质子交换膜/27
2.1引言/27
2.2质子交换膜的基本性能/28
2.2.1质子传导率/28
2.2.2离子交换当量/29
2.2.3拉伸强度/29
2.2.4吸水率/30
2.2.5溶胀率/30
2.2.6透气率/30
2.2.7氢气渗透电流/31
2.3全氟质子交换膜/32
2.3.1全氟磺酸型质子交换膜结构/34
2.3.2全氟磺酸膜的质子传导模型与机理/35
2.4复合质子交换膜/37
2.4.1基膜增强拉伸多孔PTFE复合增强膜/37
2.4.2无机材料增强型质子交换膜/39
2.4.3部分氟化复合膜/47
2.5烃类质子交换膜/48
2.5.1低温烃类膜/49
2.5.2聚苯并咪唑膜/52
2.6质子交换膜的降解/55
2.6.1化学降解/55
2.6.2热降解/57
2.6.3物理损伤/57
2.6.4质子交换膜降解表征方法/57
2.6.5提高质子交换膜稳定性的方法/61
参考文献/62

第3章电催化剂/69
3.1质子交换膜燃料电池中的电催化概述/69
3.2氧还原催化剂/70
3.2.1铂黑催化剂/70
3.2.2Pt/C催化剂/71
3.2.3PtM催化剂/75
3.2.4非铂催化剂/82
3.2.5非金属催化剂/88
3.3氢氧化催化剂/90
3.4催化剂的衰减机理/91
3.5催化剂载体/92
3.6电催化剂的特性测试/95
3.6.1铂含量测试/95
3.6.2电化学活性面积（ECSA）测试/96
3.6.3比表面积、孔容、孔径分布测试/97
3.6.4结构表征/98
3.6.5形貌表征/99
3.7电催化剂的特性测试实施例/99
参考文献/102

第4章膜电极/108
4.1电极内部的反应与传递过程/109
4.2气体扩散层/109
4.2.1气体扩散层的基本要求/109
4.2.2气体扩散层的微孔层/110
4.2.3气体扩散层的特性及测试/111
4.2.4商业化的气体扩散层/113
4.3催化层/115
4.3.1催化层的特性参数与测试/115
4.3.2气体扩散电极/118
4.3.3催化剂覆膜催化层/120
4.3.4功能化膜电极/125
4.3.5有序超薄催化层/127
参考文献/138

第5章双极板/142
5.1燃料电池双极板的功能与分类/142
5.2双极板的流场与密封/143
5.2.1流场/143
5.2.2密封/144
5.3典型的双极板材料/145
5.3.1机加工石墨双极板/145
5.3.2模压膨胀石墨双极板/146
5.3.3复合材料双极板/149
5.3.4金属双极板/150
5.4双极板的评价方法/162
5.4.1体电阻测试/162
5.4.2接触电阻测试/162
5.4.3机械强度测试/163
5.4.4电化学腐蚀评价/164
5.4.5接触角测试/165
参考文献/165

第6章单电池与运行/168
6.1单电池的构成与组装/168
6.1.1单电池的构成/168
6.1.2单电池的组装/169
6.1.3测试装置/170
6.1.4单电池的活化/170
6.2单电池的常规测试/170
6.2.1电流-电压（I-V）特性测试与极化/170
6.2.2电化学阻抗测试/173
6.2.3电化学活性面积测试/175
6.2.4膜的氢渗透/176
6.2.5开路测试/176
6.3运行条件/177
6.3.1运行温度/177
6.3.2工作压力与反应气计量系数/177
6.3.3湿度/178
6.4低温环境对燃料电池的影响/182
6.4.1燃料电池中水的状态/182
6.4.2低温存储/183
6.4.3低温启动/184
6.5杂质对电池的影响/189
6.5.1杂质对质子交换膜的影响/190
6.5.2杂质对阳极的影响/193
6.5.3杂质对阴极的影响/195
参考文献/198

第7章电堆/201
7.1电堆的若干概念/201
7.1.1能量转换效率/201
7.1.2电堆单池性能的一致性/203
7.1.3反极/204
7.2电堆的机械结构与组装技术/206
7.2.1电堆的机械结构/206
7.2.2电堆的组装技术/211
7.3电堆的性能/213
7.3.1单池单元的性能设计/213
7.3.2电堆的工程放大设计/220
7.3.3电堆的水管理/228
7.4电堆的耐久性/237
7.4.1关键材料的性能衰减路径/238
7.4.2电堆性能的衰减模式/239
7.4.3实际应用中电堆耐久性的提升策略/246
参考文献/248

第8章系统/250
8.1系统的结构/251
8.2系统的效率、设计及关键零部件/252
8.2.1系统的效率/252
8.2.2系统的设计/252
8.2.3关键零部件/256
8.3系统的应用分析/261
8.3.1客车示范运行中的系统稳定性分析/262
8.3.2轿车示范运行中的系统稳定性分析/266
参考文献/270