新能源車用燃料電池應(yīng)用技術(shù)--質(zhì)子交換膜燃料電池原理及耐久性

《質(zhì)子交換膜燃料電池原理及耐久性》主要匯集了同濟(jì)大學(xué)教研團(tuán)隊(duì)多年的燃料電池教學(xué)和科研工作成果及最新進(jìn)展，特別總結(jié)了參與國(guó)家新能源汽車、氫能重點(diǎn)專項(xiàng)研究的工程經(jīng)驗(yàn)。書中圍繞質(zhì)子交換膜燃料電池的耐久性展開闡述， 介紹了燃料電池的分類、發(fā)電原理，燃料電池耐久性現(xiàn)狀及目標(biāo)等；闡述了質(zhì)子交換膜、催化層、氣體擴(kuò)散層與雙極板等關(guān)鍵材料和部件的結(jié)構(gòu)、衰退機(jī)制與抑制策略；分析了電堆運(yùn)行條件下的耐久性并介紹了雜質(zhì)氣體對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池性能的影響。
《質(zhì)子交換膜燃料電池原理及耐久性》可供開展燃料電池相關(guān)研究的高校和科研院所的師生、研究人員使用，也可供企業(yè)研發(fā)人員參考。

楊代軍，同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院動(dòng)力機(jī)械及工程專業(yè)副教授，國(guó)家燃料電池及動(dòng)力系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心燃料電池研究室主任，2007年起在同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院歷任講師、副教授/博導(dǎo)，期間曾赴德國(guó)克勞斯塔爾工業(yè)大學(xué)訪學(xué)。主要研究方向?yàn)檐囉秒娀瘜W(xué)電源，深耕氫能和燃料電池領(lǐng)域。

1. 本書以燃料電池耐久性為主線，結(jié)合了筆者在大學(xué)從事多年基礎(chǔ)教學(xué)與參與國(guó)家新能源汽車、氫能重點(diǎn)專項(xiàng)的研究過程中的工程經(jīng)驗(yàn)，兼顧了科研、教學(xué)與企業(yè)產(chǎn)品開發(fā)過程的需求。 2. 本書以揭示燃料電池的耐久性的衰退機(jī)制為目標(biāo)，并提出解決思路和應(yīng)對(duì)策略，內(nèi)容通俗易懂，圖文并茂，適合不同群體需求，適用面廣。

在我國(guó)“雙碳”目標(biāo)的強(qiáng)力驅(qū)動(dòng)下，政府眾多的激勵(lì)政策相繼出臺(tái)，氫能領(lǐng)域科技水平飛速發(fā)展，取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）以氫氣為燃料，啟動(dòng)迅速、清潔高效。從全球范圍看，隨著其發(fā)電性能的持續(xù)提升以及材料與制造成本的不斷下降，PEMFC 在交通和能源領(lǐng)域的商業(yè)化大門已經(jīng)開啟。這體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
1. 燃料電池性能提升，成本下降。電池堆（電堆）功率密度已突破4kW/L，成本已降至1000 元/kW 以下。
2. 燃料電池壽命進(jìn)步顯著。石墨板電堆壽命可達(dá)4 萬小時(shí)，金屬板電堆1 萬小時(shí)壽命已非鮮見。
3. 加氫基礎(chǔ)設(shè)施不斷完善。加氫站數(shù)量不斷增多，已達(dá)2000 座以上，其中東亞的加氫站建設(shè)勢(shì)頭尤其迅猛。
4. 氫燃料成本下降，經(jīng)濟(jì)效益開始顯現(xiàn)。我國(guó)利用風(fēng)、光和水等可再生能源發(fā)電領(lǐng)域的全球領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，不斷開拓綠色制氫途徑，氫氣成本已逐級(jí)下降至市場(chǎng)可接受的水平。
近二十多年來在我國(guó)政府科技項(xiàng)目支持和科研人員的努力下，燃料電池堆的性能和壽命進(jìn)步顯著，成本逐步下降；氫氣的“制-儲(chǔ)-輸-用”各環(huán)節(jié)技術(shù)成熟度不斷提升，降本之路逐漸打通，極大地促進(jìn)了燃料電池的發(fā)展。
我國(guó)氫能與燃料電池的發(fā)展，經(jīng)歷了“十五”和“十一五”（2003～ 2010 年）期間在科技部重大專項(xiàng)的支持和引領(lǐng)下，由同濟(jì)大學(xué)、清華大學(xué)分別領(lǐng)銜各整車廠開發(fā)乘用和商用燃料電池汽車的熱潮；也經(jīng)歷了2008 年在美國(guó)金融危機(jī)的沖擊下燃料電池汽車開發(fā)熱的退潮；更經(jīng)歷了我國(guó)純電動(dòng)汽車在“三縱三橫”戰(zhàn)略引領(lǐng)下從與燃料電池汽車并駕齊驅(qū)到實(shí)現(xiàn)百萬產(chǎn)能、舉世矚目。與純電動(dòng)汽車相比，在大眾眼里的新能源汽車中，尚難覓燃料電池汽車的一席之地，在電站領(lǐng)域燃料電池的應(yīng)用更是聊勝于無。這也是如今我國(guó)各級(jí)政府在“雙碳”目標(biāo)的引領(lǐng)下，紛紛出臺(tái)產(chǎn)業(yè)和經(jīng)濟(jì)政策支持燃料電池發(fā)展的原因。
因此，盡管燃料電池的商業(yè)化已經(jīng)開啟，但想要達(dá)到一定的市場(chǎng)滲透率，真正為市場(chǎng)所接受，并在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮較大的作用，還必須克服自身耐久性不足這一重要短板。而長(zhǎng)生命周期內(nèi)的電堆耐久性，需要更先進(jìn)的科技與工程解決方案，這也是本書的寫作目的。本書將從燃料電池發(fā)電的基礎(chǔ)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)機(jī)制開始，介紹電堆的結(jié)構(gòu)與組成；然后介紹膜電極組件、雙極板、密封件和其他組件等關(guān)鍵材料和部件材料、結(jié)構(gòu)、衰退機(jī)制與抑制策略；最后還針對(duì)電堆工作環(huán)境、水熱管理和運(yùn)行工況等展開分析，闡述外圍因素對(duì)電堆壽命的影響。
本書匯集了課題組在燃料電池耐久性及相關(guān)方面的多年研究成果，由楊代軍擔(dān)任主編，盧奕睿、明平文和李冰擔(dān)任副主編，劉鵬程、廖珮懿、冷宇、姚歡、賈林瀚、吳浩宇、屈同舟、徐勝楠、藍(lán)弋林、田一凡和姚偉濤參與了編寫工作。同時(shí)，也對(duì)為本書做出貢獻(xiàn)的組內(nèi)研究人員表示感謝。
本書的目的是希望給予燃料電池行業(yè)的學(xué)生、科研人員和工程技術(shù)人員關(guān)于燃料電池耐久性方面比較全面的指導(dǎo)，以促進(jìn)行業(yè)發(fā)展，早日走向成熟。

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?zé)崃W(xué)005
1.3.1標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)與可逆電動(dòng)勢(shì)005
1.3.2燃料電池效率計(jì)算009
1.4電極反應(yīng)動(dòng)力學(xué)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(biāo)020
1.6.1美國(guó)能源部的目標(biāo)020
1.6.2日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)的目標(biāo)021
1.6.3歐盟燃料電池及氫能合作組織的目標(biāo)025
1.6.4我國(guó)關(guān)于氫能與燃料電池的目標(biāo)025
1.7小結(jié)028
參考文獻(xiàn)029

2質(zhì)子交換膜：化學(xué)和物理衰減
2.1質(zhì)子交換膜簡(jiǎn)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(guó)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(diǎn)034
2.2.1PEM的化學(xué)結(jié)構(gòu)034
2.2.2均質(zhì)膜與復(fù)合膜優(yōu)缺點(diǎn)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(píng)測(cè)方法041
2.3.1質(zhì)子電導(dǎo)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(jī)理043
2.4.1熱降解043
2.4.2化學(xué)降解044
2.4.3機(jī)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(xué)降解緩解方法046
2.5.3機(jī)械降解緩解方法046
2.6小結(jié)048
參考文獻(xiàn)048

3催化層：化學(xué)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(duì)性能和壽命的影響063
3.2.1催化劑漿料對(duì)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(fù)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(fù)活化法介紹073
3.4活性金屬衰退與評(píng)價(jià)方法078
3.4.1Pt顆粒的團(tuán)聚與長(zhǎng)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(píng)價(jià)方法082
3.5載體衰退與評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)方法087
3.6離聚物對(duì)PEMFC性能的影響及其衰退089
3.6.1離聚物對(duì)PEMFC性能的影響089
3.6.2離聚物的衰退機(jī)制090
3.7小結(jié)091
參考文獻(xiàn)091

4氣體擴(kuò)散層：制造工藝及衰退機(jī)理
4.1概述102
4.1.1氣體擴(kuò)散層的基本要求102
4.1.2氣體擴(kuò)散層國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀103
4.2氣體擴(kuò)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(kuò)散層與極板的相互作用109
4.3氣體擴(kuò)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(kuò)散層的理化特性及表征方法113
4.4.1力學(xué)性能113
4.4.2導(dǎo)電性114
4.4.3導(dǎo)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(kuò)散層的衰退機(jī)理117
4.5.1物理衰退118
4.5.2化學(xué)衰退120
4.6緩解氣體擴(kuò)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(jì)121
4.7小結(jié)122
參考文獻(xiàn)123

5雙極板與流場(chǎng)：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(chǎng)設(shè)計(jì)131
5.3雙極板材料133
5.3.1石墨雙極板133
5.3.2復(fù)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(fù)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(duì)方式139
5.6衰退機(jī)理與抑制策略141
5.6.1衰退機(jī)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(biāo)及評(píng)測(cè)方法144
5.7.1氣密性測(cè)試144
5.7.2抗彎強(qiáng)度測(cè)試145
5.7.3腐蝕電流測(cè)試145
5.7.4接觸電阻測(cè)試146
5.7.5接觸角測(cè)試147
5.8小結(jié)147
參考文獻(xiàn)148

6關(guān)鍵零部件對(duì)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(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展154
6.2密封材料選型準(zhǔn)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(píng)估方法158
6.4.1物理特性與參數(shù)158
6.4.2化學(xué)特性及表征162
6.5密封件加速評(píng)估方法166
6.5.1老化對(duì)比實(shí)驗(yàn)166
6.5.2加權(quán)選型方法168
6.5.3工程應(yīng)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(duì)耐久性的影響170
6.6.3其他電堆輔件對(duì)耐久性的影響173
6.7小結(jié)75
參考文獻(xiàn)176

7電堆運(yùn)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?zé)峁芾?85
7.3電堆運(yùn)行工況的衰退分析188
7.3.1高電勢(shì)引起的衰退188
7.3.2電勢(shì)循環(huán)與衰退189
7.3.3反極造成的衰退189
7.3.4啟/停機(jī)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(dòng)策略197
7.4.1模型研究199
7.4.2實(shí)驗(yàn)方法201
7.4.3工程應(yīng)用202
7.5小結(jié)204
參考文獻(xiàn)205

8雜質(zhì)氣體對(duì)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(jī)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(xué)測(cè)試分析方法223
8.2.8空氣/氫氣中雜質(zhì)對(duì)PEMFC性能影響的測(cè)試方法226
8.3氫氣雜質(zhì)對(duì)PEMFC的影響228
8.3.1CO對(duì)陽(yáng)極的影響228
8.3.2H2S對(duì)陽(yáng)極的影響233
8.3.3Cl2對(duì)陽(yáng)極的影響234
8.3.4NH3對(duì)陽(yáng)極的影響235
8.3.5CO2對(duì)陽(yáng)極的影響238
8.4空氣雜質(zhì)對(duì)PEMFC的影響239
8.4.1N2對(duì)陰極的影響240
8.4.2NOx對(duì)陰極的影響240
8.4.3SO2對(duì)陰極的影響243
8.4.4HxCy對(duì)陰極的影響246
8.4.5CO對(duì)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(duì)PEMFC影響的策略249
8.5.1空氣過濾器249
8.5.2高電勢(shì)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(xiàn)263