新能源车用燃料电池应用技术--质子交换膜燃料电池原理及耐久性

《质子交换膜燃料电池原理及耐久性》主要汇集了同济大学教研团队多年的燃料电池教学和科研工作成果及最新进展，特别总结了参与国家新能源汽车、氢能重点专项研究的工程经验。书中围绕质子交换膜燃料电池的耐久性展开阐述， 介绍了燃料电池的分类、发电原理，燃料电池耐久性现状及目标等；阐述了质子交换膜、催化层、气体扩散层与双极板等关键材料和部件的结构、衰退机制与抑制策略；分析了电堆运行条件下的耐久性并介绍了杂质气体对质子交换膜燃料电池性能的影响。
《质子交换膜燃料电池原理及耐久性》可供开展燃料电池相关研究的高校和科研院所的师生、研究人员使用，也可供企业研发人员参考。

杨代军，同济大学汽车学院动力机械及工程专业副教授，国家燃料电池及动力系统工程技术研究中心燃料电池研究室主任，2007年起在同济大学汽车学院历任讲师、副教授/博导，期间曾赴德国克劳斯塔尔工业大学访学。主要研究方向为车用电化学电源，深耕氢能和燃料电池领域。

在我国“双碳”目标的强力驱动下，政府众多的激励政策相继出台，氢能领域科技水平飞速发展，取得了长足的进步。质子交换膜燃料电池（PEMFC）以氢气为燃料，启动迅速、清洁高效。从全球范围看，随着其发电性能的持续提升以及材料与制造成本的不断下降，PEMFC 在交通和能源领域的商业化大门已经开启。这体现在以下几个方面：
1. 燃料电池性能提升，成本下降。电池堆（电堆）功率密度已突破4kW/L，成本已降至1000 元/kW 以下。
2. 燃料电池寿命进步显著。石墨板电堆寿命可达4 万小时，金属板电堆1 万小时寿命已非鲜见。
3. 加氢基础设施不断完善。加氢站数量不断增多，已达2000 座以上，其中东亚的加氢站建设势头尤其迅猛。
4. 氢燃料成本下降，经济效益开始显现。我国利用风、光和水等可再生能源发电领域的全球领先优势，不断开拓绿色制氢途径，氢气成本已逐级下降至市场可接受的水平。
近二十多年来在我国政府科技项目支持和科研人员的努力下，燃料电池堆的性能和寿命进步显著，成本逐步下降；氢气的“制-储-输-用”各环节技术成熟度不断提升，降本之路逐渐打通，极大地促进了燃料电池的发展。
我国氢能与燃料电池的发展，经历了“十五”和“十一五”（2003～ 2010 年）期间在科技部重大专项的支持和引领下，由同济大学、清华大学分别领衔各整车厂开发乘用和商用燃料电池汽车的热潮；也经历了2008 年在美国金融危机的冲击下燃料电池汽车开发热的退潮；更经历了我国纯电动汽车在“三纵三横”战略引领下从与燃料电池汽车并驾齐驱到实现百万产能、举世瞩目。与纯电动汽车相比，在大众眼里的新能源汽车中，尚难觅燃料电池汽车的一席之地，在电站领域燃料电池的应用更是聊胜于无。这也是如今我国各级政府在“双碳”目标的引领下，纷纷出台产业和经济政策支持燃料电池发展的原因。
因此，尽管燃料电池的商业化已经开启，但想要达到一定的市场渗透率，真正为市场所接受，并在国民经济中发挥较大的作用，还必须克服自身耐久性不足这一重要短板。而长生命周期内的电堆耐久性，需要更先进的科技与工程解决方案，这也是本书的写作目的。本书将从燃料电池发电的基础热力学、动力学机制开始，介绍电堆的结构与组成；然后介绍膜电极组件、双极板、密封件和其他组件等关键材料和部件材料、结构、衰退机制与抑制策略；最后还针对电堆工作环境、水热管理和运行工况等展开分析，阐述外围因素对电堆寿命的影响。
本书汇集了课题组在燃料电池耐久性及相关方面的多年研究成果，由杨代军担任主编，卢奕睿、明平文和李冰担任副主编，刘鹏程、廖珮懿、冷宇、姚欢、贾林瀚、吴浩宇、屈同舟、徐胜楠、蓝弋林、田一凡和姚伟涛参与了编写工作。同时，也对为本书做出贡献的组内研究人员表示感谢。
本书的目的是希望给予燃料电池行业的学生、科研人员和工程技术人员关于燃料电池耐久性方面比较全面的指导，以促进行业发展，早日走向成熟。

1概述
1.1燃料电池分类001
1.2燃料电池发电原理002
1.3燃料电池热力学005
1.3.1标准电极电势与可逆电动势005
1.3.2燃料电池效率计算009
1.4电极反应动力学012
1.5燃料电池堆结构与组成017
1.5.1电堆结构017
1.5.2电堆组成018
1.6燃料电池耐久性现状及目标020
1.6.1美国能源部的目标020
1.6.2日本新能源产业技术综合开发机构的目标021
1.6.3欧盟燃料电池及氢能合作组织的目标025
1.6.4我国关于氢能与燃料电池的目标025
1.7小结028
参考文献029

2质子交换膜：化学和物理衰减
2.1质子交换膜简介031
2.1.1质子交换膜的基本要求031
2.1.2质子交换膜国内外发展现状032
2.2质子交换膜结构及优缺点034
2.2.1PEM的化学结构034
2.2.2均质膜与复合膜优缺点035
2.2.3膜电极组成036
2.2.4膜电极结构及功能037
2.2.5膜电极密封结构039
2.3PEM基本性能的评测方法041
2.3.1质子电导率041
2.3.2氢渗电流042
2.3.3氟离子溶出042
2.4PEM的降解机理043
2.4.1热降解043
2.4.2化学降解044
2.4.3机械降解045
2.5PEM降解的缓解方法045
2.5.1热降解缓解方法045
2.5.2化学降解缓解方法046
2.5.3机械降解缓解方法046
2.6小结048
参考文献048

3催化层：化学降解与结构破坏
3.1概述052
3.1.1催化剂的重要作用052
3.1.2催化层与催化剂的关系053
3.1.3高效MEA的开发策略056
3.1.4催化剂发展现状060
3.2浆料对性能和寿命的影响063
3.2.1催化剂浆料对催化层结构的影响063
3.2.2催化层结构与耐久性的关系066
3.3电堆活化与恢复方法073
3.3.1电堆活化与耐久性的关系073
3.3.2电堆恢复活化法介绍073
3.4活性金属衰退与评价方法078
3.4.1Pt颗粒的团聚与长大079
3.4.2Pt流失与再分布080
3.4.3Pt中毒080
3.4.4催化剂衰退的缓解方法081
3.4.5催化剂衰退的评价方法082
3.5载体衰退与评价方法084
3.5.1碳载体的衰退084
3.5.2载体衰退的缓解方法086
3.5.3载体衰退的评价方法087
3.6离聚物对PEMFC性能的影响及其衰退089
3.6.1离聚物对PEMFC性能的影响089
3.6.2离聚物的衰退机制090
3.7小结091
参考文献091

4气体扩散层：制造工艺及衰退机理
4.1概述102
4.1.1气体扩散层的基本要求102
4.1.2气体扩散层国内外研究现状103
4.2气体扩散层结构与材料及功能与特性104
4.2.1结构与材料104
4.2.2功能与特性106
4.2.3气体扩散层与极板的相互作用109
4.3气体扩散层制造方法110
4.3.1碳基材料制造方法110
4.3.2金属基材料制造方法cm100111
4.3.3疏水处理112
4.4气体扩散层的理化特性及表征方法113
4.4.1力学性能113
4.4.2导电性114
4.4.3导热性115
4.4.4透气率116
4.4.5孔隙率及孔径分布116
4.4.6亲疏水性117
4.5气体扩散层的衰退机理117
4.5.1物理衰退118
4.5.2化学衰退120
4.6缓解气体扩散层衰减的策略121
4.6.1优化装配压力121
4.6.2MPL设计121
4.7小结122
参考文献123

5双极板与流场：成形方式与腐蚀失效分析
5.1双极板的功能与性能要求129
5.2双极板的流场设计131
5.3双极板材料133
5.3.1石墨双极板133
5.3.2复合双极板134
5.3.3金属双极板134
5.4双极板成形方式135
5.4.1石墨与复合双极板成形方式135
5.4.2金属双极板成形方式136
5.5双极板组对方式139
5.6衰退机理与抑制策略141
5.6.1衰退机理141
5.6.2提高金属双极板耐腐蚀性的策略143
5.7双极板主要指标及评测方法144
5.7.1气密性测试144
5.7.2抗弯强度测试145
5.7.3腐蚀电流测试145
5.7.4接触电阻测试146
5.7.5接触角测试147
5.8小结147
参考文献148

6关键零部件对燃料电池堆耐久性的影响
6.1概述153
6.1.1密封件基本要求153
6.1.2燃料电池密封件国内外研究进展154
6.2密封材料选型准则155
6.3PEMFC的密封结构156
6.3.1线密封结构157
6.3.2一体化密封结构157
6.4密封件材料评估方法158
6.4.1物理特性与参数158
6.4.2化学特性及表征162
6.5密封件加速评估方法166
6.5.1老化对比实验166
6.5.2加权选型方法168
6.5.3工程应用前景169
6.6端板及其他电堆辅件170
6.6.1端板的作用170
6.6.2端板对耐久性的影响170
6.6.3其他电堆辅件对耐久性的影响173
6.7小结75
参考文献176

7电堆运行条件下的耐久分析
7.1概述178
7.2燃料电池水热管理180
7.2.1燃料电池中的两相流180
7.2.2燃料电池水管理183
7.2.3燃料电池热管理185
7.3电堆运行工况的衰退分析188
7.3.1高电势引起的衰退188
7.3.2电势循环与衰退189
7.3.3反极造成的衰退189
7.3.4启/停机与氢/空界面190
7.3.5车用工况与衰减192
7.4电堆低温冷启动策略197
7.4.1模型研究199
7.4.2实验方法201
7.4.3工程应用202
7.5小结204
参考文献205

8杂质气体对PEMFC性能的影响
8.1氢气/空气中的杂质来源212
8.1.1传统制氢技术213
8.1.2氢气的提纯工艺215
8.1.3新型制氢技术217
8.1.4大气污染物来源分析218
8.1.5空气污染物的去除方法220
8.2杂质气体影响的分析方法221
8.2.1水分分析方法222
8.2.2总烃及无机杂质组分分析方法222
8.2.3总硫分析方法223
8.2.4氨分析方法223
8.2.5氯化氢分析方法223
8.2.6颗粒物分析方法223
8.2.7电化学测试分析方法223
8.2.8空气/氢气中杂质对PEMFC性能影响的测试方法226
8.3氢气杂质对PEMFC的影响228
8.3.1CO对阳极的影响228
8.3.2H2S对阳极的影响233
8.3.3Cl2对阳极的影响234
8.3.4NH3对阳极的影响235
8.3.5CO2对阳极的影响238
8.4空气杂质对PEMFC的影响239
8.4.1N2对阴极的影响240
8.4.2NOx对阴极的影响240
8.4.3SO2对阴极的影响243
8.4.4HxCy对阴极的影响246
8.4.5CO对阴极的影响246
8.4.6协同影响248
8.5缓解空气杂质对PEMFC影响的策略249
8.5.1空气过滤器249
8.5.2高电势氧化法258
8.5.3吹扫法260
8.5.4高温质子交换膜燃料电池(HT-PEMFC)261
8.6小结262
参考文献263