《质子交换膜燃料电池堆》明平文 李冰 | PDF下载|ePub下载

丛书序 前言 第1章 概述 1.1 质子交换膜燃料电池简史006 1.2 我国PEMFC发展简史008 1.3 PEMFC分类010 1.3.1 不同方式的分类010 1.3.2 典型的应用系统架构013 1.4 PEMFC的电堆结构018 1.4.1 电堆模块018 1.4.2 供气分配机构021 1.4.3 电堆紧固结构024 1.4.4 电堆绝缘结构026 1.4.5 电堆密封结构027 1.4.6 单电池027 参考文献 028 第2章 电堆的工作原理与指标 2.1 电极过程032 2.1.1 电极过程热力学035 2.1.2 电极过程动力学038 2.1.3 极化过程及伏安曲线041 2.2 水热管理043 2.2.1 水与热的生成043 2.2.2 水的气液两相048 2.2.3 水热状态与离子电导049 2.3 导电与导热051 2.3.1 电子传输与内电阻051 2.3.2 热量传导与内部温度052 2.4 物质传递过程059 2.4.1 反应与吸附059 2.4.2 水在膜中的输运060 2.4.3 跨尺度扩散063 2.4.4 液态水的排除064 2.5 流体分布特性065 2.5.1 二维流场分布066 2.5.2 三维流场分布071 2.5.3 非线性分布074 参考文献 075 第3章 电堆的性能设计 3.1 电堆的性能要求与结构082 3.1.1 堆叠技术简介082 3.1.2 电堆堆叠要求及关键部件083 3.2 单元电池反应区的设计086 3.2.1 极化曲线的展开标定与目标设定086 3.2.2 活化极化的改进088 3.2.3 欧姆极化的改进089 3.2.4 传质极化的改进091 3.2.5 传热与换热结构092 3.2.6 体积功率密度的提升093 3.3 单元电池导流区的设计095 3.4 单元电池流场区的设计096 3.5 电堆总孔、恒温与节间分配设计101 3.6 电堆密封结构与夹紧设计102 3.7 电堆导电结构与绝缘措施106 3.7.1 电堆导电结构106 3.7.2 电堆绝缘措施106 参考文献 109 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112 4.1.1 电力调节112 4.1.2 电力转化114 4.1.3 监控系统115 4.1.4 电力供给管理系统115 4.1.5 电容特性116 4.2 电堆的供气系统与压力匹配117 4.2.1 氢气供给子系统117 4.2.2 空气供给子系统120 4.2.3 压力控制与匹配123 4.3 电堆的测试系统与条件模拟124 4.3.1 测试系统的构成125 4.3.2 测试系统的调试127 4.3.3 测试工况127 参考文献 128 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132 5.1.1 空气杂质引起的失效与应对133 5.1.2 氢气杂质引起的失效与应对138 5.1.3 冷却剂杂质引起的失效与应对147 5.2 低温环境导致的“结冰”损伤与自启动技术149 5.2.1 停机残存水结冰引起的损伤149 5.2.2 排水结构改进与停机操作对策153 5.2.3 低温自启动策略与材料选择155 5.3 流体工况引起的衰退与损伤158 5.3.1 膜两侧压差引起的形变与剪切损伤158 5.3.2 进气干湿及其交变引起的氢渗163 5.3.3 压力与温度控制失效引起的损伤166 5.4 负载工况引起的衰退与抑制技术168 5.4.1 催化剂、载体及质子导体电化学衰退机理168 5.4.2 启停工况衰退诱因与应对策略175 5.4.3 变载工况衰退诱因与应对策略177 5.4.4 怠速工况衰退诱因与应对策略179 5.5 电堆材料衰变产物引起的失效与诊断180 5.5.1 金属离子渗出与离子导体污染180 5.5.2 有机碎片溶出与催化剂污染182 参考文献 184 第6章 电堆典型故障成因及纠正预防措施 6.1 高电位198 6.1.1 怠速点的高电位198 6.1.2 启停过程的氢空界面199 6.1.3 高电位的纠正预防措施―吹扫策略的研究201 6.1.4 小结206 6.2 反应物饥饿206 6.3 水管理208 6.3.1 水管理的影响208 6.3.2 水管理的策略212 6.4 热管理213 6.5 CO中毒214 6.5.1 CO中毒的影响214 6.5.2 CO中毒的改善216 6.6 低温冷启动218 6.6.1 低温冷启动的影响218 6.6.2 快速低温冷启动策略的研究218 6.7 可逆性衰退与性能恢复方法研究226 6.7.1 可逆性衰退的影响226 6.7.2 电堆可逆性衰退及加速衰退拐点的研究228 6.7.3 小结240 6.8 电堆节间和节内非一致性衰退的研究240 6.8.1 测试对象、设备及方法241 6.8.2 结果与讨论244 6.8.3 小结256 参考文献 257 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264 7.1.1 电堆制造工艺概述264 7.1.2 工艺分区与车间条件270 7.2 催化层制造工艺275 7.2.1 催化剂浆料制备275 7.2.2 催化剂浆料涂布与干燥286 7.3 扩散介质制造工艺310 7.3.1 疏水支撑层制备310 7.3.2 微孔层制备317 7.4 膜电极组件制造工艺322 7.4.1 质子交换膜323 7.4.2 催化层325 7.4.3 微孔层326 7.4.4 双极板327 7.5 双极板制造工艺327 7.5.1 模压膨胀石墨双极板327 7.5.2 石墨/金属复合双极板328 7.5.3 金属薄板冲压双极板331 7.6 密封件制造工艺333 7.7 电堆组装过程333 7.8 电堆活化过程338 7.9 电堆储存与运输342 参考文献 343 第8章 电堆材料的进阶需求 8.1 质子传导电解质与隔膜358 8.1.1 质子传导电解质与隔膜概述358 8.1.2 全氟磺酸质子交换膜358 8.1.3 其他质子交换膜362 8.2 电催化剂364 8.2.1 电催化剂概述364 8.2.2 Pt基催化剂365 8.2.3 非Pt基催化剂369 8.2.4 催化剂载体370 8.2.5 催化剂的制备与表征374 8.3 GDL基材376 8.3.1 材料与组件377 8.3.2 GDL的力学性能380 8.3.3 GDL的亲水/疏水性384 8.3.4 GDL的导电性和导热性384 8.3.5 GDL表面形态385 8.3.6 GDL电化学特性386 8.3.7 GDL制造方法387 8.3.8 GDL研究、开发和商业化趋势392 8.4 双极板基材393 8.4.1 双极板的特点和功能393 8.4.2 PEMFC流场设计模型394 8.4.3 双极板的材料与改性394 8.4.4 不锈钢和涂层395 8.4.5 有色合金和涂层397 8.4.6 双极板的制作398 参考文献 399 第9章 电堆概念设计流程 9.1 电堆概念设计406 9.2 电堆的组成及功能407 9.3 客户需求及目标分解408 9.4 膜电极组件设计409 9.5 双极板设计411 9.6 辅助部件设计414 9.6.1 集流板414 9.6.2 端板415 9.7 电堆组装工艺设计417 9.8 工程验证419 9.8.1 运行条件验证419 9.8.2 电堆发电性能验证420 9.8.3 耐久性验证420 9.8.4 可靠性验证422 参考文献 424