低溫燃料電池：快速商業(yè)化技術(shù)

《低溫燃料電池：快速商業(yè)化技術(shù)》全面詳細(xì)闡述了快速進(jìn)入商業(yè)化的低溫燃料電池技術(shù)，重點(diǎn)介紹聚合物電解質(zhì)燃料電池。書中首先簡(jiǎn)要描述燃料電池發(fā)展歷史及其商品和示范產(chǎn)品的應(yīng)用和市場(chǎng)；接著詳細(xì)闡述質(zhì)子交換膜燃料電池組件和構(gòu)建材料（聚合物膜、催化劑、氣體擴(kuò)散層、雙極板等），以及組件的制造技術(shù)、商業(yè)化挑戰(zhàn)及其解決技術(shù)；最后介紹了新概念低溫燃料電池（可逆再生燃料電池、微生物燃料電池、直接液體燃料電池和直接固體燃料電池）。
本書可作為從事能源、電源電力、材料、化學(xué)化工，特別是燃料電池研發(fā)、設(shè)計(jì)和工程技術(shù)人員、管理人員的參考資料，也可供高等院校能源、電源電力、材料、化學(xué)化工等相關(guān)專業(yè)研究生、高年級(jí)本科生參考學(xué)習(xí)。

1.從進(jìn)入商業(yè)化的視角較全面介紹的燃料電池技術(shù)。 2.重點(diǎn)介紹聚合物電解質(zhì)燃料電池（PEFC）。 3.詳細(xì)介紹原理、組件和構(gòu)建材料、全面商業(yè)化面臨的挑戰(zhàn)等。

筆者愛做夢(mèng)，一個(gè)催化工作者的夢(mèng)。追夢(mèng)是一大樂趣。夢(mèng)想的實(shí)現(xiàn)需要持之以恒的付出。筆者自從上海師范大學(xué)特聘教授退下來的2010年開始，堅(jiān)持以每天2000字的節(jié)拍，竟然完成了催化基礎(chǔ)和應(yīng)用的460萬(wàn)字的7本書的寫作出版。
筆者與燃料電池也是有緣分的。在20世紀(jì)80年代末和90年代初，于中國(guó)科學(xué)院煤炭化學(xué)研究所籌建“煤轉(zhuǎn)化國(guó)家實(shí)驗(yàn)室”的遠(yuǎn)期計(jì)劃中就寫上了要開展燃料電池研究；作為第一屆實(shí)驗(yàn)室主任身體力行，讓研究生開展超細(xì)粒子技術(shù)制備固體電解質(zhì)氧化鈣穩(wěn)定氧化鋯的研究，結(jié)果令人鼓舞。后來在浙江大學(xué)工作期間，有機(jī)會(huì)繼續(xù)與研究生和國(guó)內(nèi)訪問學(xué)者一道從事中溫固體氧化物電解質(zhì)的制備和研究。21世紀(jì)初，應(yīng)臺(tái)灣大學(xué)的邀請(qǐng)，筆者帶一位博士后到臺(tái)灣繼續(xù)做中溫固體氧化物燃料電池電解質(zhì)材料的制備研究。因此，對(duì)燃料電池技術(shù)有著某種偏愛和熱衷，一直關(guān)心其發(fā)展。直到幾年前，在收集和閱讀燃料電池最新文獻(xiàn)中，由于國(guó)外一作者對(duì)我國(guó)燃料電池企業(yè)存在的疏忽和漠視才激起了筆者編寫有關(guān)燃料電池技術(shù)書籍的沖動(dòng)和欲望，這得到了化學(xué)工業(yè)出版社的大力支持并予以正式立項(xiàng)。鑒于過去20多年的累積和少量制備研究經(jīng)驗(yàn)，再加上近2～3年中大量閱讀有關(guān)燃料電池資料和文獻(xiàn)，特別是近期的文獻(xiàn)，形成了本書的寫作基礎(chǔ)。
燃料電池是建立未來可再生能源體系的關(guān)鍵技術(shù)之一，是可持續(xù)的潔凈電源技術(shù)。可廣泛用于固定應(yīng)用、運(yùn)輸應(yīng)用和便攜式應(yīng)用的廣泛領(lǐng)域。燃料電池發(fā)展歷史已經(jīng)超過200年，經(jīng)歷了多次高潮和低潮。由于科學(xué)家和工程技術(shù)人員的努力研究，在燃料電池不同領(lǐng)域取得一個(gè)又一個(gè)的突破，到21世紀(jì)已經(jīng)進(jìn)入場(chǎng)地試驗(yàn)和商業(yè)化。但燃料電池仍然有一些技術(shù)障礙需要解決，特別是成本和耐用性問題。
目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)有一些介紹低溫質(zhì)子交換膜燃料電池和高溫的固體氧化物燃料電池的書籍，通常都是介紹燃料電池一般技術(shù)概念、組件材料和應(yīng)用，側(cè)重于燃料電池的某一個(gè)領(lǐng)域。對(duì)燃料電池進(jìn)入商業(yè)化階段的技術(shù)狀態(tài)似乎沒有足夠的重視，于是更堅(jiān)定筆者把著眼點(diǎn)放在商業(yè)化發(fā)展階段的燃料電池技術(shù)，試圖從進(jìn)入商業(yè)化的視角較全面地介紹燃料電池技術(shù)。由于燃料電池有多種類型，是綜合技術(shù)，涉及多個(gè)領(lǐng)域和多方面的內(nèi)容，如燃料電池的應(yīng)用市場(chǎng)和商業(yè)化產(chǎn)品、燃料電池主要部件和材料，以及制造技術(shù)和應(yīng)用潛力、面對(duì)的挑戰(zhàn)等。撰寫進(jìn)入商業(yè)化燃料電池技術(shù)原打算包括最重要兩類燃料電池，即低溫【聚合物電解質(zhì)燃料電池（PEFC）】和高溫燃料電池【固體氧化物燃料電池（SOFC）】。沒有料想到，內(nèi)容意想不到的豐富，因此，作者改變初衷，打算撰寫燃料電池三部曲：《低溫燃料電池：快速商業(yè)化技術(shù)》（重點(diǎn)是PEFC）、《固體氧化物燃料電池技術(shù)》和《氫：化學(xué)品、能源和能量載體》，本書是其中的第一部，介紹了進(jìn)入商業(yè)化的低溫聚合物電解質(zhì)燃料電池技術(shù)。
全書分為九章。在緒論中，不僅簡(jiǎn)要介紹燃料電池發(fā)展的200多年歷史和燃料電池發(fā)展的主要推動(dòng)力，還介紹了我國(guó)的燃料電池技術(shù)發(fā)展情況。
第2章，對(duì)燃料電池操作的基礎(chǔ)知識(shí)做了介紹，包括主要類型、操作原理、特征特色以及燃料電池?zé)崃W(xué)原理和不同類型燃料電池間的比較。重點(diǎn)對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）的電化學(xué)原理、單元池與電池堆和電池系統(tǒng)以及參數(shù)影響等做了介紹和討論。
接下來的兩章詳細(xì)介紹燃料電池的實(shí)際應(yīng)用。
第3章，在詳細(xì)介紹燃料電池應(yīng)用的快速增長(zhǎng)和重要應(yīng)用領(lǐng)域，以及能夠與熱引擎和電池競(jìng)爭(zhēng)的各類型燃料電池的商業(yè)化發(fā)展后，較為詳細(xì)介紹了燃料電池在便攜式電子設(shè)備（手機(jī)、平板電腦、收音機(jī)、攝像機(jī)、電動(dòng)玩具、工具、遙控器和應(yīng)急燈等）中的應(yīng)用，以及生產(chǎn)便攜式燃料電池產(chǎn)品的主要國(guó)際公司。再詳細(xì)介紹作為電源的各種固定應(yīng)用，如應(yīng)急電源（EPS）或不間斷電源（UPS）、偏遠(yuǎn)地區(qū)的電力系統(tǒng)（RAPS）以及生產(chǎn)這些燃料電池產(chǎn)品的工業(yè)企業(yè)。特別詳細(xì)介紹了在與各種熱電產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)中快速發(fā)展的燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)（FC CHP）和冷熱電三聯(lián)產(chǎn)（FC CCHP）商業(yè)化產(chǎn)品以及生產(chǎn)這些產(chǎn)品的主要公司，尤其是微熱電聯(lián)產(chǎn)產(chǎn)品及生產(chǎn)廠家。最后介紹燃料電池與其他發(fā)電技術(shù)的集成以提高燃料的利用效率，降低溫室氣體排放。
第4章，詳細(xì)介紹燃料電池在運(yùn)輸部門的應(yīng)用，重點(diǎn)是在車輛中的應(yīng)用，包括輕載燃料電池車輛、重載燃料電池車輛、氫燃料電池大客車及其在各個(gè)國(guó)家的發(fā)展。也介紹了重要燃料電池公司如Ballard和汽車制造商如德國(guó)的Daimler、美國(guó)的Ford和GM、日本的Toyota和Honda、韓國(guó)的Hyundai及中國(guó)公司在發(fā)展燃料電池汽車中做出的貢獻(xiàn)以及它們生產(chǎn)銷售的燃料電池汽車。燃料電池在船舶推進(jìn)、航空器中的應(yīng)用，以及燃料電池作為輔助功率單元（APU）也做了較詳細(xì)介紹。
在接下來的三章詳細(xì)介紹低溫聚合物電解質(zhì)燃料電池的組件，特別是膜電極裝配體（MEA）及其構(gòu)建材料。
第5章，詳細(xì)介紹應(yīng)用于MEA的聚合物電解質(zhì)膜（PEM）材料，以及它們應(yīng)滿足的一些性質(zhì)，如尺寸穩(wěn)定性、優(yōu)良的物理化學(xué)耐用性、電子傳導(dǎo)絕緣性和高質(zhì)子電導(dǎo)率等，以及它們的特點(diǎn)、弱點(diǎn)和制備改性技術(shù)。介紹的聚合物膜有：有機(jī)聚合物膜、陶瓷聚合物膜、有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合聚合物膜。在最重要的有機(jī)聚合物膜材料中，對(duì)全氟化離子交聯(lián)聚合物如普遍使用的Nafion、部分氟化聚合物、非氟化聚合物（包括烴類）、非氟化（包括烴類）復(fù)合物、有芳烴骨架的非氟化膜和酸堿復(fù)合物，都進(jìn)行了討論和敘述。除陽(yáng)離子交換膜外也介紹了陰離子交換膜。
第6章，深入地介紹了MEA中的陽(yáng)極催化劑、陰極催化劑、載體材料，及其制備改性方法。為提高鉑基催化劑性能，深入探討了合金化、結(jié)構(gòu)形貌控制以及特殊形狀如中空、納米結(jié)構(gòu)薄膜催化劑的制備和試驗(yàn)。對(duì)非鉑催化劑和一維催化劑的發(fā)展也做了敘述。對(duì)燃料電池的催化劑載體，主要對(duì)碳載體做了詳細(xì)介紹，包括炭黑、各種形態(tài)碳材料如碳納米管、石墨烯、碳納米纖維、介孔碳等。對(duì)非碳載體也做了介紹。
第7章，討論了雙極板（BP）和氣體擴(kuò)散層材料及燃料電池設(shè)計(jì)制造技術(shù)。介紹了制造BP板用熱固性和熱塑性聚合物及其填充劑和加工方法。接著介紹金屬雙極板，主要是不銹鋼及其防腐涂層材料和制造的沖壓和液壓方法。然后討論雙極板的設(shè)計(jì)和制造，包括材料選擇和制造技術(shù)。對(duì)燃料電池核心部件膜電極裝配體（MEA）的設(shè)計(jì)裝配和制造做了較詳細(xì)敘述，涉及膜、催化劑層、氣體擴(kuò)散層的設(shè)計(jì)和制作以及MEA的制造技術(shù)。最后介紹聚合物電解質(zhì)燃料電池的裝配和制造，內(nèi)容包括MEA、流動(dòng)場(chǎng)板、氣體擴(kuò)散層、裝配壓縮工藝（包括模塊化壓縮）及其影響參數(shù)等。對(duì)燃料電池性能標(biāo)準(zhǔn)的一些常用方法也做了簡(jiǎn)要介紹。
第8章專門敘述聚合物電解質(zhì)燃料電池面對(duì)的主要挑戰(zhàn)，包括高成本、低耐用性、不完善的氫公用設(shè)施和商業(yè)化壁壘。對(duì)聚合物電解質(zhì)膜燃料電池進(jìn)行了成本分析，指出降低MEA和工廠平衡（BOP）設(shè)備成本的重要性。并對(duì)為降低燃料電池成本和增加其耐用性在燃料電池材料和組件發(fā)展中取得的進(jìn)展進(jìn)行了介紹，包括緩解低溫燃料電池與水管理相關(guān)降解和高溫質(zhì)子交換膜燃料電池降解的方法。
在最后的新概念燃料電池一章中，主要介紹了四種新概念燃料電池：①可逆再生燃料電池，重點(diǎn)是整體集成再生質(zhì)子交換膜燃料電池（UR-PEMFC）和整體再生固體氧化物燃料電池（UR-SOFC）；②微生物燃料電池及其在利用污水有機(jī)物（廢物）產(chǎn)生電力和氫中的應(yīng)用；③直接液體燃料電池，包括直接乙醇、乙二醇、甲酸鹽和硼氫化物燃料電池；④直接固體燃料燃料電池，也即直接碳燃料電池，內(nèi)容包括類型、工作原理、單一電池性能和新體系設(shè)計(jì)。
衷心感謝中科合成油技術(shù)股份有限公司、浙江大學(xué)催化研究所和浙江新和成股份有限公司的朋友在寫作過程中給予的關(guān)心、幫助和支持；同時(shí)感謝浙江大學(xué)化學(xué)系資料室在文獻(xiàn)資料收集中給予的方便和幫助；也感謝在資料收集和寫作過程中家人給予的幫助、支持和理解。
由于筆者本人的水平和經(jīng)驗(yàn)所限以及時(shí)間相對(duì)倉(cāng)促，不足之處在所難免，敬請(qǐng)同行專家學(xué)者以及廣大讀者批評(píng)指正，不勝感謝。

陳誦英     
于浙江大學(xué)西溪校區(qū)  

第1章 緒論	001
1.1 能源資源利用及發(fā)展趨勢(shì)	002
1.1.1 能源資源	002
1.1.2 全球能源需求和消費(fèi)	003
1.1.3 能源資源利用歷史趨勢(shì)	005
1.1.4 零碳能源	006
1.2 全球能源革命	006
1.3 可持續(xù)的能源技術(shù)	008
1.4 氫能源和氫經(jīng)濟(jì)概念	011
1.4.1 氫燃料和氫經(jīng)濟(jì)概念	011
1.4.2 氫經(jīng)濟(jì)的推動(dòng)力	013
1.4.3 氫經(jīng)濟(jì)研究發(fā)展的國(guó)際合作	013
1.5 中國(guó)氫經(jīng)濟(jì)	014
1.5.1 中國(guó)氫經(jīng)濟(jì)發(fā)展主要推動(dòng)力	016
1.5.2 中國(guó)氫能源發(fā)展總體目標(biāo)、技術(shù)路線和優(yōu)勢(shì)	018
1.5.3 中國(guó)氫經(jīng)濟(jì)發(fā)展預(yù)測(cè)	019
1.5.4 中國(guó)能源低碳化發(fā)展任重道遠(yuǎn)	020
1.6 能量轉(zhuǎn)換技術(shù)與氫燃料電池	020
1.6.1 氫燃料和燃料電池	021
1.6.2 能量轉(zhuǎn)換技術(shù)及其比較	022
1.7 燃料電池發(fā)展200年	026
1.8 燃料電池技術(shù)在中國(guó)	030
1.8.1 資金支持	030
1.8.2 中國(guó)燃料電池研發(fā)簡(jiǎn)史	031
1.8.3 燃料電池發(fā)展示范	032
1.8.4 中國(guó)燃料電池應(yīng)用領(lǐng)域	033
1.9 中國(guó)燃料電池發(fā)展展望	037

第2章 燃料電池技術(shù)基礎(chǔ)	042
2.1 概述	042
2.2 燃料電池的主要類型	044
2.2.1 堿燃料電池（AFC）	044
2.2.2 磷酸燃料電池（PAFC）	045
2.2.3 固體氧化物燃料電池（SOFC）	047
2.2.4 熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）	048
2.2.5 質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）	049
2.2.6 直接甲醇燃料電池（DMFC）	051
2.2.7 小結(jié)	053
2.3 燃料電池特征和特色	057
2.3.1 降低有害污染物排放	058
2.3.2 高效率	058
2.3.3 模塊化	059
2.3.4 快速負(fù)荷跟隨	059
2.3.5 安靜性質(zhì)	060
2.3.6 應(yīng)用范圍廣和燃料靈活性	060
2.3.7 高成本	060
2.3.8 低耐用性	061
2.3.9 氫公用基礎(chǔ)設(shè)施	061
2.3.10 水平衡	061
2.3.11 伴生負(fù)荷	062
2.4 不同燃料電池技術(shù)的比較	062
2.4.1 燃料電池技術(shù)特征比較	062
2.4.2 燃料電池應(yīng)用	064
2.5 氫燃料電池?zé)崃W(xué)分析	065
2.5.1 燃料電池反應(yīng)熱力學(xué)	065
2.5.2 燃料電池中的不可逆性	068
2.6 PEMFC氫燃料電池的電化學(xué)原理	069
2.6.1 引言	069
2.6.2 氫燃料電池可逆效率	070
2.6.3 可逆電壓	071
2.6.4 反應(yīng)物流速的影響	073
2.6.5 燃料電池的極化	074
2.6.6 燃料電池系統(tǒng)效率	081
2.6.7 燃料電池系統(tǒng)評(píng)價(jià)因子	082
2.7 單元池、電池堆和電池系統(tǒng)	082
2.7.1 單元池	082
2.7.2 電池堆	086
2.7.3 燃料電池系統(tǒng)	088
2.8 燃料電池操作條件影響	097
2.8.1 引言	097
2.8.2 控制水量和增濕的方法	098
2.8.3 冷卻方式	100
2.8.4 反應(yīng)物氣體濕度對(duì)池性能的影響	101
2.8.5 入口氣體溫度的影響	104
2.8.6 操作溫度效應(yīng)	106
2.8.7 氧分壓（氧化劑類型）效應(yīng)	108

第3章 燃料電池的應(yīng)用和市場(chǎng)Ⅰ：便攜式應(yīng)用和固定應(yīng)用	109
3.1 概述	109
3.1.1 能量轉(zhuǎn)換裝置	112
3.1.2 燃料電池與熱引擎和電池間的競(jìng)爭(zhēng)	112
3.1.3 燃料電池分類和世界主要發(fā)展商	112
3.2 燃料電池的應(yīng)用領(lǐng)域	113
3.2.1 引言	113
3.2.2 2008～2012年間燃料電池市場(chǎng)的增長(zhǎng)	115
3.3 燃料電池便攜式應(yīng)用	118
3.4 燃料電池固定應(yīng)用—分布發(fā)電單元（DG）	122
3.4.1 引言	122
3.4.2 燃料電池固定應(yīng)用的商業(yè)化發(fā)展	123
3.4.3 各類燃料電池DG應(yīng)用的商業(yè)化發(fā)展	124
3.5 燃料電池固定應(yīng)用：應(yīng)急電源和偏遠(yuǎn)地區(qū)電力系統(tǒng)	131
3.5.1 應(yīng)急電源（EPS）或不間斷電源（UPS）	131
3.5.2 偏遠(yuǎn)地區(qū)電力系統(tǒng)（RAPS）	133
3.6 燃料電池微CHP及其應(yīng)用	134
3.6.1 熱電聯(lián)產(chǎn)（CHP）技術(shù)	134
3.6.2 商業(yè)可利用的燃料電池微CHP產(chǎn)品	140
3.7 燃料電池CHP系統(tǒng)	143
3.7.1 引言	143
3.7.2 燃料電池CHP分類和組件	144
3.7.3 燃料電池與CHP	146
3.7.4 CHP（FC-CHP）在不同部門中的應(yīng)用	147
3.7.5 燃料電池CHP的優(yōu)缺點(diǎn)	150
3.7.6 FC-CHP系統(tǒng)的缺點(diǎn)	154
3.8 FC-CHP系統(tǒng)現(xiàn)狀	155
3.8.1 引言	155
3.8.2 FC-CHP在亞洲的發(fā)展	156
3.8.3 FC-CHP在歐洲的發(fā)展	158
3.8.4 FC-CHP系統(tǒng)在美洲的發(fā)展	159
3.8.5 FC-CHP在南非的發(fā)展	159
3.8.6 FC-CHP系統(tǒng)在澳大利亞的發(fā)展	159
3.9 FC-CHP系統(tǒng)的操作和成本	160
3.9.1 引言	160
3.9.2 耐用性和系統(tǒng)壽命	161
3.9.3 啟動(dòng)時(shí)間	163
3.9.4 性能降解	163
3.9.5 瞬時(shí)應(yīng)答特性和優(yōu)化操作時(shí)間	163
3.9.6 FC-CHP系統(tǒng)的成本	163
3.9.7 運(yùn)行成本	165
3.10 燃料電池三聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)（FC-CCHP）	165
3.10.1 引言	165
3.10.2 FC-CCHP系統(tǒng)的應(yīng)用	168
3.11 燃料電池與其他發(fā)電裝置的集成	170
3.11.1 引言	170
3.11.2 SOFC與氣體透平組合	172
3.11.3 SOFC與蘭開夏循環(huán)集成	174
3.11.4 燃?xì)馔钙剑–T）與SOFC的組合	175
3.11.5 SOFC組合技術(shù)在船舶上的應(yīng)用	176

第4章 燃料電池的應(yīng)用和市場(chǎng)Ⅱ：運(yùn)輸應(yīng)用	178
4.1 概述	178
4.1.1 引言	178
4.1.2 燃料電池在運(yùn)輸部門的應(yīng)用	179
4.1.3 燃料電池運(yùn)輸應(yīng)用的商業(yè)化發(fā)展	181
4.2 電動(dòng)車輛	185
4.2.1 引言	185
4.2.2 車輛分類	186
4.3 輕型燃料電池牽引車輛（LTV）	192
4.4 輕載燃料電池電動(dòng)車輛（L-FCEV）	195
4.4.1 一般描述	195
4.4.2 排放降低	198
4.4.3 氫燃料	198
4.5 重載燃料電池電動(dòng)車輛（H-FCEV）	201
4.5.1 引言	201
4.5.2 H-FCEV的發(fā)展實(shí)例	204
4.5.3 FCEV成本	205
4.6 氫燃料電池大客車的發(fā)展和示范試驗(yàn)	205
4.6.1 引言	205
4.6.2 電動(dòng)大巴技術(shù)概述	206
4.6.3 電動(dòng)大巴市場(chǎng)趨勢(shì)	207
4.6.4 燃料電池電動(dòng)大巴在各國(guó)的發(fā)展簡(jiǎn)況	208
4.6.5 美國(guó)燃料電池大巴	210
4.6.6 歐洲燃料電池大巴	213
4.6.7 加拿大燃料電池大巴	215
4.6.8 電動(dòng)大巴的性能特色	219
4.6.9 燃料電池大巴（FCEB）的成就和挑戰(zhàn)	224
4.7 燃料電池車輛中的燃料電池和氫燃料問題以及計(jì)劃目標(biāo)	225
4.7.1 燃料電池技術(shù)	225
4.7.2 氫公用基礎(chǔ)設(shè)施	229
4.7.3 計(jì)劃和目標(biāo)	231
4.8 燃料電池在航空器中的應(yīng)用	233
4.9 燃料電池應(yīng)用于船舶推進(jìn)	235
4.9.1 引言	235
4.9.2 船上應(yīng)用燃料電池的項(xiàng)目和研究	235
4.9.3 潛艇	241
4.9.4 船舶用燃料電池	243
4.10 燃料電池輔助功率單元	244
4.10.1 對(duì)輔助功率單元的需求	244
4.10.2 燃料電池輔助功率單元市場(chǎng)應(yīng)用分析	246
4.10.3 SOFC輔助功率單元樣機(jī)	252
4.10.4 高溫PEMFC燃料電池輔助功率單元（HT-PEMFC APU）	254

第5章 PEFC材料和制造Ⅰ：聚合物電解質(zhì)	257
5.1 概述	257
5.1.1 聚合物電解質(zhì)燃料電池	257
5.1.2 聚合物電解質(zhì)膜	258
5.1.3 中低溫燃料電池聚合物電解質(zhì)膜分類	260
5.2 聚合物電解質(zhì)膜材料	261
5.2.1 全氟磺酸離子交聯(lián)聚合物	261
5.2.2 部分氟化聚合物	265
5.2.3 非氟化聚合物	266
5.2.4 聚合物摻合物	267
5.2.5 無(wú)水聚合物—酸堿復(fù)合物	268
5.2.6 聚合物電解質(zhì)膜的質(zhì)子電導(dǎo)率	269
5.2.7 可替代Nafion的聚合物電解質(zhì)膜小結(jié)	270
5.2.8 聚合物電解質(zhì)膜的基礎(chǔ)研究	271
5.3 中溫和低濕度磺化烴類膜	272
5.3.1 引言	272
5.3.2 高性能磺化烴類PEM	274
5.3.3 磺化烴類PEM的物理化學(xué)調(diào)變	280
5.3.4 表面改性—氟化PEM	283
5.3.5 熱退火	285
5.4 高溫酸摻雜PBI電解質(zhì)膜	287
5.4.1 引言	287
5.4.2 PBI基高溫PEMFC	288
5.4.3 高溫操作HT-PEMFC的主要優(yōu)缺點(diǎn)	288
5.4.4 PBI聚合物膜	289
5.4.5 酸摻雜聚苯并咪唑膜	290
5.4.6 PBI的合成和改性	291
5.4.7 PBI膜的制作和改性	292
5.4.8 PBI膜燃料電池初步性能	293
5.4.9 酸堿絡(luò)合物膜	293
5.5 陶瓷PEM膜材料	295
5.6 PEM中的質(zhì)子傳導(dǎo)機(jī)理	296
5.7 復(fù)合物質(zhì)子交換膜	297
5.7.1 引言	297
5.7.2 聚合物復(fù)合物膜的概念和設(shè)計(jì)	302
5.7.3 聚合物復(fù)合物膜的材料	305
5.7.4 有機(jī)-無(wú)機(jī)納米復(fù)合物PEM的制備	311
5.7.5 不同類型聚合物復(fù)合物膜	315
5.7.6 聚合物復(fù)合膜小結(jié)	324
5.8 陰離子交換膜材料	325
5.8.1 引言	325
5.8.2 SAFC對(duì)陰離子交換膜的要求	327
5.8.3 陰離子交換膜	327
5.8.4 AAEMFC應(yīng)用要解決的問題	329

第6章 PEFC材料和制造Ⅱ：催化劑和載體	332
6.1 概述	332
6.2 鉑基催化劑	333
6.2.1 引言	333
6.2.2 單Pt電催化劑	334
6.2.3 Pt催化劑上HOR和ORR的機(jī)理	335
6.2.4 影響Pt催化劑性能的因素	336
6.3 Pt合金催化劑	338
6.4 Pt基催化劑的結(jié)構(gòu)形貌控制	340
6.4.1 粒子大小效應(yīng)	340
6.4.2 粒子形貌效應(yīng)	341
6.5 核殼結(jié)構(gòu)催化劑	346
6.5.1 核殼結(jié)構(gòu)和應(yīng)變效應(yīng)	346
6.5.2 單一金屬納米粒子作為核材料	346
6.5.3 金屬合金納米核材料	347
6.6 中空結(jié)構(gòu)納米粒子催化劑	349
6.6.1 引言	349
6.6.2 Pt中空納米粒子	349
6.6.3 合金中空納米粒子	350
6.7 納米結(jié)構(gòu)薄膜催化劑	352
6.7.1 引言	352
6.7.2 納米結(jié)構(gòu)薄膜催化劑和MEA的制備	355
6.7.3 NSTF和Pt/C型MEA的比較	355
6.7.4 3M納米結(jié)構(gòu)薄膜催化劑層的特色和挑戰(zhàn)	358
6.7.5 催化劑層組分和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化	359
6.8 非鉑催化劑	362
6.8.1 引言	362
6.8.2 過渡金屬絡(luò)合物催化劑	363
6.8.3 酞菁配體過渡金屬大環(huán)催化劑	364
6.8.4 卟啉配體過渡金屬大環(huán)催化劑	368
6.8.5 其他大環(huán)配體過渡金屬大環(huán)催化劑	370
6.8.6 碳混雜物作為堿燃料電池中ORR電催化劑	371
6.8.7 小結(jié)	372
6.9 一維納米結(jié)構(gòu)電催化劑	374
6.9.1 引言	374
6.9.2 PEMFC應(yīng)用1D納米結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)	374
6.9.3 PEMFC應(yīng)用的1D納米結(jié)構(gòu)催化劑制備	375
6.9.4 1D納米結(jié)構(gòu)催化劑的發(fā)展	376
6.9.5 烴類氧化反應(yīng)的1D 納米結(jié)構(gòu)催化劑	381
6.9.6 1D Pt基納米結(jié)構(gòu)PEMFC電極	386
6.9.7 1D納米結(jié)構(gòu)催化劑小結(jié)	388
6.10 電催化劑碳載體材料	389
6.10.1 引言	389
6.10.2 炭黑	391
6.10.3 納米結(jié)構(gòu)碳材料	393
6.10.4 碳載體與催化劑間的相互作用	401
6.10.5 載體材料的選擇標(biāo)準(zhǔn)	403
6.11 非碳和金屬氧化物載體	404
6.11.1 引言	404
6.11.2 金屬氧化物載體	404
6.11.3 Ti化合物載體	405
6.11.4 含錫化合物	407
6.11.5 二氧化硅	408
6.11.6 鎢化合物	409
6.11.7 硫酸氧鋯	410
6.11.8 導(dǎo)電聚合物	410
6.11.9 混合載體	411
6.11.10 小結(jié)	412

第7章 PEFC材料和制造Ⅲ：BP和燃料電池設(shè)計(jì)制造技術(shù)	413
7.1 碳基材料雙極板	413
7.1.1 引言	413
7.1.2 雙極板用聚合物	414
7.1.3 成型方法	415
7.1.4 填充劑	416
7.1.5 聚合物復(fù)合物BP的性質(zhì)	419
7.2 金屬雙極板	421
7.2.1 引言	421
7.2.2 不銹鋼BP材料	424
7.2.3 不銹鋼的涂層	424
7.2.4 非鐵合金和涂層	427
7.2.5 金屬BP的成型—沖壓和液壓	428
7.2.6 金屬BP的離子污染	430
7.2.7 小結(jié)	431
7.3 雙極板設(shè)計(jì)和制造	432
7.3.1 雙極板設(shè)計(jì)	432
7.3.2 雙極板材料選擇	435
7.3.3 雙極板制造	438
7.3.4 碳基復(fù)合物BP的制作	441
7.4 多孔氣體擴(kuò)散層（GDL）	442
7.4.1 大孔基質(zhì)（MPS）	442
7.4.2 微孔層（MPL）	443
7.4.3 MPL組件和制備模式	443
7.4.4 氣體和液體水在GDL（MPL和MPS）中的傳輸	444
7.5 MEA設(shè)計(jì)裝配和制造	444
7.5.1 引言	444
7.5.2 MEA設(shè)計(jì)	446
7.5.3 MEA制造	452
7.6 PEFC裝配和制造	458
7.6.1 引言	458
7.6.2 膜電極裝配體	459
7.6.3 流動(dòng)場(chǎng)板	459
7.6.4 氣體擴(kuò)散層	461
7.6.5 裝配壓縮效應(yīng)	463
7.6.6 影響裝配壓縮的因素	468
7.6.7 裝配壓縮對(duì)性能參數(shù)的影響	469
7.6.8 池堆壓縮的方法	473
7.6.9 壓縮裝配小結(jié)	476
7.7 燃料電池性能測(cè)試表征	476
7.7.1 極化曲線	477
7.7.2 阻抗譜	477
7.7.3 電流截?cái)喾椒?479
7.7.4 伏安法	480
7.7.5 其他原位測(cè)量技術(shù)	481
7.7.6 離位表征	481
7.7.7 加速老化試驗(yàn)	484

第8章 聚合物電解質(zhì)燃料電池技術(shù)面對(duì)的挑戰(zhàn)	488
8.1 概述	488
8.1.1 引言	488
8.1.2 燃料電池工業(yè)的現(xiàn)時(shí)狀態(tài)	490
8.1.3 未來目標(biāo)	491
8.1.4 條碼、標(biāo)準(zhǔn)、安全和公眾醒悟	494
8.2 燃料電池面對(duì)的主要挑戰(zhàn)	494
8.2.1 高成本	494
8.2.2 低耐用性	495
8.2.3 氫公用設(shè)施	495
8.2.4 商業(yè)化壁壘	495
8.3 PEMFC成本的綜合分析	497
8.3.1 引言	497
8.3.2 成本分析類型	498
8.3.3 膜和催化劑成本降低對(duì)PEMFC成本的重要性	501
8.3.4 小結(jié)	503
8.4 燃料電池材料和組件進(jìn)展	504
8.4.1 引言	504
8.4.2 聚合物電解質(zhì)膜	505
8.4.3 催化劑層	508
8.4.4 PEMFC的先進(jìn)性能	516
8.4.5 PEMFC的耐用性	517
8.4.6 池堆	517
8.4.7 組件降解和緩解方法小結(jié)	518
8.5 關(guān)系到水管理的降解和緩解方法	519
8.5.1 引言	519
8.5.2 PEMFC中的水平衡	520
8.5.3 水分布和傳輸	520
8.5.4 水保留和累積	525
8.5.5 緩解策略（對(duì)水保留和累積引起的降解）	531
8.5.6 在PEMFC中的水傳輸	535
8.5.7 水管理小結(jié)	537
8.6 直接甲醇燃料電池的耐用性和恢復(fù)技術(shù)	538
8.6.1 引言	538
8.6.2 DMFC操作耐用性的現(xiàn)時(shí)狀態(tài)	538
8.6.3 在DMFC長(zhǎng)期操作期間的性能降解	540
8.6.4 性能恢復(fù)技術(shù)	548
8.6.5 DMFC性能降解和恢復(fù)技術(shù)小結(jié)	550
8.7 高溫PEMFC的降解和緩解技術(shù)	551
8.7.1 引言	551
8.7.2 HT-PEMFC的降解和緩解	553
8.7.3 操作條件引起的降解和緩解	557
8.7.4 原位診斷作為緩解技術(shù)	560
8.7.5 HT-PEMFC降解和緩解技術(shù)小結(jié)	561

第9章 新概念燃料電池	562
9.1 可逆再生燃料電池	563
9.1.1 引言	563
9.1.2 整體再生質(zhì)子交換膜燃料電池（UR-PEMFC）	569
9.1.3 固體氧化物電解池SOEC和可再生固體氧化物燃料電池（RSOFC）	579
9.2 微生物燃料電池	581
9.2.1 引言	581
9.2.2 微生物燃料電池的設(shè)計(jì)	583
9.2.3 MFC中的生物陰極	586
9.2.4 微生物燃料電池性能	588
9.2.5 MFC的應(yīng)用	589
9.2.6 MFC的未來	591
9.3 微生物燃料電池處理污水	591
9.3.1 引言	591
9.3.2 污水處理過程的能量消耗和回收	592
9.3.3 MFC優(yōu)勢(shì)和原理	595
9.3.4 MFC移去有機(jī)物質(zhì)	598
9.3.5 MFC移去營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)	600
9.3.6 MFC移去金屬	601
9.3.7 源分離	602
9.3.8 現(xiàn)時(shí)的挑戰(zhàn)和潛在的機(jī)遇	603
9.4 微生物電解池	606
9.4.1 可持續(xù)處理廢水的微生物電解池	606
9.4.2 電極、膜和反應(yīng)器構(gòu)型	607
9.4.3 實(shí)驗(yàn)室或半中試規(guī)模MEC用于污水處理	610
9.4.4 中試規(guī)模MEC處理WW	613
9.4.5 經(jīng)濟(jì)和環(huán)境考慮	614
9.4.6 MEC使用展望：挑戰(zhàn)和未來前景	616
9.5 直接液體燃料電池	618
9.5.1 引言	618
9.5.2 直接乙醇燃料電池	621
9.5.3 直接乙二醇燃料電池	627
9.5.4 直接甲酸鹽燃料電池	631
9.5.5 直接硼氫化物燃料電池	638
9.6 直接固體燃料電池	641
9.6.1 引言	641
9.6.2 直接碳燃料電池	642
9.6.3 DCFC基礎(chǔ)描述	643
9.6.4 熔融氫氧化物DCFC	643
9.6.5 熔融碳酸鹽DCFC	645
9.6.6 氧離子傳導(dǎo)DCFC	646

參考文獻(xiàn)	652

附錄	662