质子交换膜燃料电池堆电子书

丛书编委会

丛书序

前言

第1章 概述

1.1 质子交换膜燃料电池简史

1.2 我国PEMFC发展简史

1.3 PEMFC分类

1.3.1 不同方式的分类

1.3.2 典型的应用系统架构

1.4 PEMFC的电堆结构

1.4.1 电堆模块

1.4.2 供气分配机构

1.4.3 电堆紧固结构

1.4.4 电堆绝缘结构

1.4.5 电堆密封结构

1.4.6 单电池

参考文献

第2章 电堆的工作原理与指标

2.1 电极过程

2.1.1 电极过程热力学

2.1.2 电极过程动力学

2.1.3 极化过程及伏安曲线

2.2 水热管理

2.2.1 水与热的生成

2.2.2 水的气液两相

2.2.3 水热状态与离子电导

2.3 导电与导热

2.3.1 电子传输与内电阻

2.3.2 热量传导与内部温度

2.4 物质传递过程

2.4.1 反应与吸附

2.4.2 水在膜中的输运

2.4.3 跨尺度扩散

2.4.4 液态水的排除

2.5 流体分布特性

2.5.1 二维流场分布

2.5.2 三维流场分布

2.5.3 非线性分布

参考文献

第3章 电堆的性能设计

3.1 电堆的性能要求与结构

3.1.1 堆叠技术简介

3.1.2 电堆堆叠要求及关键部件

3.2 单元电池反应区的设计

3.2.1 极化曲线的展开标定与目标设定

3.2.2 活化极化的改进

3.2.3 欧姆极化的改进

3.2.4 传质极化的改进

3.2.5 传热与换热结构

3.2.6 体积功率密度的提升

3.3 单元电池导流区的设计

3.4 单元电池流场区的设计

3.5 电堆总孔、恒温与节间分配设计

3.6 电堆密封结构与夹紧设计

3.7 电堆导电结构与绝缘措施

3.7.1 电堆导电结构

3.7.2 电堆绝缘措施

参考文献

第4章 电堆的使用特性与系统匹配

4.1 电堆的电容特性与电路匹配

4.1.1 电力调节

4.1.2 电力转化

4.1.3 监控系统

4.1.4 电力供给管理系统

4.1.5 电容特性

4.2 电堆的供气系统与压力匹配

4.2.1 氢气供给子系统

4.2.2 空气供给子系统

4.2.3 压力控制与匹配

4.3 电堆的测试系统与条件模拟

4.3.1 测试系统的构成

4.3.2 测试系统的调试

4.3.3 测试工况

参考文献

第5章 电堆的寿命与可靠性保障

5.1 反应剂杂质引起的失效与应对措施

5.1.1 空气杂质引起的失效与应对

5.1.2 氢气杂质引起的失效与应对

5.1.3 冷却剂杂质引起的失效与应对

5.2 低温环境导致的“结冰”损伤与自启动技术

5.2.1 停机残存水结冰引起的损伤

5.2.2 排水结构改进与停机操作对策

5.2.3 低温自启动策略与材料选择

5.3 流体工况引起的衰退与损伤

5.3.1 膜两侧压差引起的形变与剪切损伤

5.3.2 进气干湿及其交变引起的氢渗

5.3.3 压力与温度控制失效引起的损伤

5.4 负载工况引起的衰退与抑制技术

5.4.1 催化剂、载体及质子导体电化学衰退机理

5.4.2 启停工况衰退诱因与应对策略

5.4.3 变载工况衰退诱因与应对策略

5.4.4 怠速工况衰退诱因与应对策略

5.5 电堆材料衰变产物引起的失效与诊断

5.5.1 金属离子渗出与离子导体污染

5.5.2 有机碎片溶出与催化剂污染

参考文献

第6章 电堆典型故障成因及纠正预防措施

6.1 高电位

6.1.1 怠速点的高电位

6.1.2 启停过程的氢空界面

6.1.3 高电位的纠正预防措施——吹扫策略的研究

6.1.4 小结

6.2 反应物饥饿

6.3 水管理

6.3.1 水管理的影响

6.3.2 水管理的策略

6.4 热管理

6.5 CO中毒

6.5.1 CO中毒的影响

6.5.2 CO中毒的改善

6.6 低温冷启动

6.6.1 低温冷启动的影响

6.6.2 快速低温冷启动策略的研究

6.7 可逆性衰退与性能恢复方法研究

6.7.1 可逆性衰退的影响

6.7.2 电堆可逆性衰退及加速衰退拐点的研究

6.7.3 小结

6.8 电堆节间和节内非一致性衰退的研究

6.8.1 测试对象、设备及方法

6.8.2 结果与讨论

6.8.3 小结

参考文献

第7章 电堆的制造工艺与质量监测

7.1 电堆制造的总流程

7.1.1 电堆制造工艺概述

7.1.2 工艺分区与车间条件

7.2 催化层制造工艺

7.2.1 催化剂浆料制备

7.2.2 催化剂浆料涂布与干燥

7.3 扩散介质制造工艺

7.3.1 疏水支撑层制备

7.3.2 微孔层制备

7.4 膜电极组件制造工艺

7.4.1 质子交换膜

7.4.2 催化层

7.4.3 微孔层

7.4.4 双极板

7.5 双极板制造工艺

7.5.1 模压膨胀石墨双极板

7.5.2 石墨/金属复合双极板

7.5.3 金属薄板冲压双极板

7.6 密封件制造工艺

7.7 电堆组装过程

7.8 电堆活化过程

7.9 电堆储存与运输

参考文献

第8章 电堆材料的进阶需求

8.1 质子传导电解质与隔膜

8.1.1 质子传导电解质与隔膜概述

8.1.2 全氟磺酸质子交换膜

8.1.3 其他质子交换膜

8.2 电催化剂

8.2.1 电催化剂概述

8.2.2 Pt基催化剂

8.2.3 非Pt基催化剂

8.2.4 催化剂载体

8.2.5 催化剂的制备与表征

8.3 GDL基材

8.3.1 材料与组件

8.3.2 GDL的力学性能

8.3.3 GDL的亲水/疏水性

8.3.4 GDL的导电性和导热性

8.3.5 GDL表面形态

8.3.6 GDL电化学特性

8.3.7 GDL制造方法

8.3.8 GDL研究、开发和商业化趋势

8.4 双极板基材

8.4.1 双极板的特点和功能

8.4.2 PEMFC流场设计模型

8.4.3 双极板的材料与改性

8.4.4 不锈钢和涂层

8.4.5 有色合金和涂层

8.4.6 双极板的制作

参考文献

第9章 电堆概念设计流程

9.1 电堆概念设计

9.2 电堆的组成及功能

9.3 客户需求及目标分解

9.4 膜电极组件设计

9.5 双极板设计

9.6 辅助部件设计

9.6.1 集流板

9.6.2 端板

9.7 电堆组装工艺设计

9.8 工程验证

9.8.1 运行条件验证

9.8.2 电堆发电性能验证

9.8.3 耐久性验证

9.8.4 可靠性验证

参考文献