本書是圍繞我國(guó)碳中和發(fā)展目標(biāo)和 《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（20212035年）》發(fā)展愿景，為構(gòu)建碳中和交通體系而編寫的碳中和交通出版工程·氫能燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)系列之一。
質(zhì)子交換膜燃料電池堆（簡(jiǎn)稱電堆）是氫能載運(yùn)工具及熱電聯(lián)供動(dòng)力系統(tǒng)的核心器件。近年來，汽車用燃料電池相關(guān)基礎(chǔ)理論和共性技術(shù)發(fā)展得很快，質(zhì)子交換膜燃料電池堆步入了商業(yè)化前期軌道。本書首先介紹了電堆概述、電堆的工作原理與指標(biāo)，其次介紹了電堆的性能設(shè)計(jì)、電堆的使用特性與系統(tǒng)匹配、電堆的壽命與可靠性保障、電堆典型故障成因及糾正預(yù)防措施、電堆的制造工藝與質(zhì)量監(jiān)測(cè)等相關(guān)基礎(chǔ)共性技術(shù)，最后提出了電堆材料的進(jìn)階需求，列舉了電堆的概念設(shè)計(jì)流程。本書融合了電堆理論知識(shí)和作者十余年的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，極具現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。
本書可供高等院校師生、制造業(yè)企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)的工程技術(shù)研究人員及對(duì)電堆制造感興趣的讀者閱讀。
1.國(guó)家出版基金項(xiàng)目，十四五時(shí)期國(guó)家重點(diǎn)出版物出版專項(xiàng)規(guī)劃項(xiàng)目。
2.助力發(fā)展碳中和國(guó)家戰(zhàn)略，為加速在交通領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)碳中和目標(biāo)提供知識(shí)動(dòng)力。
3.全彩印刷，圖文并茂，內(nèi)容翔實(shí)，講解細(xì)致。
面對(duì)日益增長(zhǎng)的能源需求和緊迫的環(huán)境污染問題，開發(fā)零/低碳的可再生能源是保障我國(guó)能源安全和帶動(dòng)全產(chǎn)業(yè)鏈高質(zhì)量發(fā)展的必然選擇。氫能具備物質(zhì)和能源雙重屬性，在供電、供熱、交通運(yùn)輸及長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能等方面有著巨大的潛力，是可再生新能源體系中的重要組成部分。作為氫能利用的重要轉(zhuǎn)化裝置，質(zhì)子交換膜燃料電池具備效率高、功率密度高、易于啟動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，在交通運(yùn)輸領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用潛力。我國(guó)政府在《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（20212035年）》《汽車產(chǎn)業(yè)中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃（20162030年）》等頂層規(guī)劃中指出，要鼓勵(lì)并引導(dǎo)氫能燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展。隨著國(guó)家燃料電池汽車示范運(yùn)營(yíng)城市群的推廣，質(zhì)子交換膜燃料電池堆技術(shù)得到了快速發(fā)展。因此，有必要對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池堆的技術(shù)發(fā)展進(jìn)行總結(jié)歸納，并對(duì)有關(guān)未來電堆關(guān)鍵材料的進(jìn)階需求及概念設(shè)計(jì)流程進(jìn)行預(yù)測(cè)，以期加快質(zhì)子交換膜燃料電池商業(yè)化的步伐，促進(jìn)社會(huì)逐步進(jìn)入氫能時(shí)代。
本人從1994年開始進(jìn)行燃料電池相關(guān)研究、開發(fā)與產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)，主要從事燃料電池電堆與系統(tǒng)技術(shù)及其過程工程研究。本人承擔(dān)或主持了973、863、中國(guó)科學(xué)院重大科技專項(xiàng)等燃料電池相關(guān)課題30余項(xiàng)，2019年?duì)款^國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃質(zhì)子交換膜燃料電池堆可靠性、耐久性及制造工程技術(shù)項(xiàng)目。本人牽頭研發(fā)出國(guó)內(nèi)首創(chuàng)的可量產(chǎn)、壽命超過5000h的車用電堆產(chǎn)品，重整燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)及潛航氫氧燃料電池系統(tǒng)樣機(jī)；在燃料電池極板功能結(jié)構(gòu)與材料、膜電極衰退與抑制、陰陽極水熱管理與器件等研究方向，累計(jì)發(fā)表論文百余篇，授權(quán)并有效發(fā)明專利90多件。本人的研究成果先后獲得中國(guó)汽車工業(yè)科技進(jìn)步特等獎(jiǎng)1項(xiàng)，遼寧省科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、二等獎(jiǎng)2項(xiàng)。基于團(tuán)隊(duì)多年來的研究積累，由本人牽頭撰寫了這部著作。
本書詳細(xì)介紹了質(zhì)子交換膜燃料電池堆涉及的基本知識(shí)、原理、方法及改進(jìn)措施。全書共分為9章：第1章介紹了質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)展歷史、分類、電堆系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和各組件功能；第2章~第4章總結(jié)了電堆工作原理、性能評(píng)價(jià)指標(biāo)和改進(jìn)策略，以及電堆使用特性和系統(tǒng)匹配需求；第5章~第7章總結(jié)了電堆壽命衰退原因與可靠性保障措施，典型故障成因及糾正預(yù)防措施，電堆制造工藝與關(guān)鍵質(zhì)量監(jiān)測(cè)措施；第8章和第9章展望了電堆關(guān)鍵組件發(fā)展趨勢(shì)和電堆概念設(shè)計(jì)新方法、新舉措。
本書是碳中和交通出版工程·氫能燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)系列中的一本，在此特別感謝系列圖書組織單位同濟(jì)大學(xué)新能源汽車工程中心及各合作企業(yè)、院校的大力支持和幫助。本書的內(nèi)容是本人負(fù)責(zé)的國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目及自然科學(xué)基金等研究成果的總結(jié)，在此對(duì)科學(xué)技術(shù)部、國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)和項(xiàng)目參與單位表示衷心的感謝。本書在楊代軍老師、鄭偉波老師和博士后唐富民、李淼協(xié)助下完成。博士生李翔、楚天闊、楊炎革、郭玉清、張晶晶、解蒙、萬克創(chuàng)、史啟通、康嘉倫、廉鈺弢、霍然、岳才政、肖燕進(jìn)行了書稿的校核，在此一并表示感謝。
本書可供可再生能源行業(yè)，特別是質(zhì)子交換膜燃料電池電堆相關(guān)的從業(yè)人員參考，也可以作為高校能源與工程及相關(guān)專業(yè)學(xué)生的推薦用書。
由于理論與學(xué)識(shí)水平有限，書中難免存在謬誤與不足之處，敬請(qǐng)讀者批評(píng)與指正！
明平文
明平文，博士，教授，國(guó)務(wù)院特殊津貼專家，國(guó)家萬人計(jì)劃中青年科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才，遼寧省優(yōu)秀專家，大連市政府特殊津貼專家，遼寧省十大杰出青年，十四五新能源汽車燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)重點(diǎn)專項(xiàng)專家組組長(zhǎng)。主要從事燃料電池中傳遞現(xiàn)象和水熱管理研究，組織、主持質(zhì)子交換膜燃料電池電堆與氫噴射器、空氣增濕器等核心器件開發(fā)、系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)及調(diào)試運(yùn)行。國(guó)內(nèi)首次提出增壓型車用燃料電池系統(tǒng)及金屬薄板沖壓成型雙極板電堆等概念，首次實(shí)現(xiàn)氫/氧燃料電池動(dòng)力的深潛器海試運(yùn)行20余次，首次完成10千瓦級(jí)重整器-燃料電池系統(tǒng)熱電聯(lián)供3000小時(shí)實(shí)驗(yàn)。
叢書序
前?言
第1章 概述
1.1 質(zhì)子交換膜燃料電池簡(jiǎn)史006
1.2 我國(guó)PEMFC發(fā)展簡(jiǎn)史008
1.3 PEMFC分類010
1.3.1 不同方式的分類010
1.3.2 典型的應(yīng)用系統(tǒng)架構(gòu)013
1.4 PEMFC的電堆結(jié)構(gòu)018
1.4.1 電堆模塊018
1.4.2 供氣分配機(jī)構(gòu)021
1.4.3 電堆緊固結(jié)構(gòu)024
1.4.4 電堆絕緣結(jié)構(gòu)026
1.4.5 電堆密封結(jié)構(gòu)027
1.4.6 單電池027
參考文獻(xiàn) 028
第2章 電堆的工作原理與指標(biāo)
2.1 電極過程032
2.1.1 電極過程熱力學(xué)035
2.1.2 電極過程動(dòng)力學(xué)038
2.1.3 極化過程及伏安曲線041
2.2 水熱管理043
2.2.1 水與熱的生成043
2.2.2 水的氣液兩相048
2.2.3 水熱狀態(tài)與離子電導(dǎo)049
2.3 導(dǎo)電與導(dǎo)熱051
2.3.1 電子傳輸與內(nèi)電阻051
2.3.2 熱量傳導(dǎo)與內(nèi)部溫度052
2.4 物質(zhì)傳遞過程059
2.4.1 反應(yīng)與吸附059
2.4.2 水在膜中的輸運(yùn)060
2.4.3 跨尺度擴(kuò)散063
2.4.4 液態(tài)水的排除064
2.5 流體分布特性065
2.5.1 二維流場(chǎng)分布066
2.5.2 三維流場(chǎng)分布071
2.5.3 非線性分布074
參考文獻(xiàn) 075
第3章 電堆的性能設(shè)計(jì)
3.1 電堆的性能要求與結(jié)構(gòu)082
3.1.1 堆疊技術(shù)簡(jiǎn)介082
3.1.2 電堆堆疊要求及關(guān)鍵部件083
3.2 單元電池反應(yīng)區(qū)的設(shè)計(jì)086
3.2.1 極化曲線的展開標(biāo)定與目標(biāo)設(shè)定086
3.2.2 活化極化的改進(jìn)088
3.2.3 歐姆極化的改進(jìn)089
3.2.4 傳質(zhì)極化的改進(jìn)091
3.2.5 傳熱與換熱結(jié)構(gòu)092
3.2.6 體積功率密度的提升093
3.3 單元電池導(dǎo)流區(qū)的設(shè)計(jì)095
3.4 單元電池流場(chǎng)區(qū)的設(shè)計(jì)096
3.5 電堆總孔、恒溫與節(jié)間分配設(shè)計(jì)101
3.6 電堆密封結(jié)構(gòu)與夾緊設(shè)計(jì)102
3.7 電堆導(dǎo)電結(jié)構(gòu)與絕緣措施106
3.7.1 電堆導(dǎo)電結(jié)構(gòu)106
3.7.2 電堆絕緣措施106
參考文獻(xiàn) 109
第4章 電堆的使用特性與系統(tǒng)匹配
4.1 電堆的電容特性與電路匹配112
4.1.1 電力調(diào)節(jié)112
4.1.2 電力轉(zhuǎn)化114
4.1.3 監(jiān)控系統(tǒng)115
4.1.4 電力供給管理系統(tǒng)115
4.1.5 電容特性116
4.2 電堆的供氣系統(tǒng)與壓力匹配117
4.2.1 氫氣供給子系統(tǒng)117
4.2.2 空氣供給子系統(tǒng)120
4.2.3 壓力控制與匹配123
4.3 電堆的測(cè)試系統(tǒng)與條件模擬124
4.3.1 測(cè)試系統(tǒng)的構(gòu)成125
4.3.2 測(cè)試系統(tǒng)的調(diào)試127
4.3.3 測(cè)試工況127
參考文獻(xiàn) 128
第5章 電堆的壽命與可靠性保障
5.1 反應(yīng)劑雜質(zhì)引起的失效與應(yīng)對(duì)措施132
5.1.1 空氣雜質(zhì)引起的失效與應(yīng)對(duì)133
5.1.2 氫氣雜質(zhì)引起的失效與應(yīng)對(duì)138
5.1.3 冷卻劑雜質(zhì)引起的失效與應(yīng)對(duì)147
5.2 低溫環(huán)境導(dǎo)致的結(jié)冰損傷與自啟動(dòng)技術(shù)149
5.2.1 停機(jī)殘存水結(jié)冰引起的損傷149
5.2.2 排水結(jié)構(gòu)改進(jìn)與停機(jī)操作對(duì)策153
5.2.3 低溫自啟動(dòng)策略與材料選擇155
5.3 流體工況引起的衰退與損傷158
5.3.1 膜兩側(cè)壓差引起的形變與剪切損傷158
5.3.2 進(jìn)氣干濕及其交變引起的氫滲163
5.3.3 壓力與溫度控制失效引起的損傷166
5.4 負(fù)載工況引起的衰退與抑制技術(shù)168
5.4.1 催化劑、載體及質(zhì)子導(dǎo)體電化學(xué)衰退機(jī)理168
5.4.2 啟停工況衰退誘因與應(yīng)對(duì)策略175
5.4.3 變載工況衰退誘因與應(yīng)對(duì)策略177
5.4.4 怠速工況衰退誘因與應(yīng)對(duì)策略179
5.5 電堆材料衰變產(chǎn)物引起的失效與診斷180
5.5.1 金屬離子滲出與離子導(dǎo)體污染180
5.5.2 有機(jī)碎片溶出與催化劑污染182
參考文獻(xiàn) 184
第6章 電堆典型故障成因及糾正預(yù)防措施
6.1 高電位198
6.1.1 怠速點(diǎn)的高電位198
6.1.2 啟停過程的氫空界面199
6.1.3 高電位的糾正預(yù)防措施吹掃策略的研究201
6.1.4 小結(jié)206
6.2 反應(yīng)物饑餓206
6.3 水管理208
6.3.1 水管理的影響208
6.3.2 水管理的策略212
6.4 熱管理213
6.5 CO中毒214
6.5.1 CO中毒的影響214
6.5.2 CO中毒的改善216
6.6 低溫冷啟動(dòng)218
6.6.1 低溫冷啟動(dòng)的影響218
6.6.2 快速低溫冷啟動(dòng)策略的研究218
6.7 可逆性衰退與性能恢復(fù)方法研究226
6.7.1 可逆性衰退的影響226
6.7.2 電堆可逆性衰退及加速衰退拐點(diǎn)的研究228
6.7.3 小結(jié)240
6.8 電堆節(jié)間和節(jié)內(nèi)非一致性衰退的研究240
6.8.1 測(cè)試對(duì)象、設(shè)備及方法241
6.8.2 結(jié)果與討論244
6.8.3 小結(jié)256
參考文獻(xiàn) 257
第7章 電堆的制造工藝與質(zhì)量監(jiān)測(cè)
7.1 電堆制造的總流程264
7.1.1 電堆制造工藝概述264
7.1.2 工藝分區(qū)與車間條件270
7.2 催化層制造工藝275
7.2.1 催化劑漿料制備275
7.2.2 催化劑漿料涂布與干燥286
7.3 擴(kuò)散介質(zhì)制造工藝310
7.3.1 疏水支撐層制備310
7.3.2 微孔層制備317
7.4 膜電極組件制造工藝322
7.4.1 質(zhì)子交換膜323
7.4.2 催化層325
7.4.3 微孔層326
7.4.4 雙極板327
7.5 雙極板制造工藝327
7.5.1 模壓膨脹石墨雙極板327
7.5.2 石墨/金屬?gòu)?fù)合雙極板328
7.5.3 金屬薄板沖壓雙極板331
7.6 密封件制造工藝333
7.7 電堆組裝過程333
7.8 電堆活化過程338
7.9 電堆儲(chǔ)存與運(yùn)輸342
參考文獻(xiàn) 343
第8章 電堆材料的進(jìn)階需求
8.1 質(zhì)子傳導(dǎo)電解質(zhì)與隔膜358
8.1.1 質(zhì)子傳導(dǎo)電解質(zhì)與隔膜概述358
8.1.2 全氟磺酸質(zhì)子交換膜358
8.1.3 其他質(zhì)子交換膜362
8.2 電催化劑364
8.2.1 電催化劑概述364
8.2.2 Pt基催化劑365
8.2.3 非Pt基催化劑369
8.2.4 催化劑載體370
8.2.5 催化劑的制備與表征374
8.3 GDL基材376
8.3.1 材料與組件377
8.3.2 GDL的力學(xué)性能380
8.3.3 GDL的親水/疏水性384
8.3.4 GDL的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性384
8.3.5 GDL表面形態(tài)385
8.3.6 GDL電化學(xué)特性386
8.3.7 GDL制造方法387
8.3.8 GDL研究、開發(fā)和商業(yè)化趨勢(shì)392
8.4 雙極板基材393
8.4.1 雙極板的特點(diǎn)和功能393
8.4.2 PEMFC流場(chǎng)設(shè)計(jì)模型394
8.4.3 雙極板的材料與改性394
8.4.4 不銹鋼和涂層395
8.4.5 有色合金和涂層397
8.4.6 雙極板的制作398
參考文獻(xiàn) 399
第9章 電堆概念設(shè)計(jì)流程
9.1 電堆概念設(shè)計(jì)406
9.2 電堆的組成及功能407
9.3 客戶需求及目標(biāo)分解408
9.4 膜電極組件設(shè)計(jì)409
9.5 雙極板設(shè)計(jì)411
9.6 輔助部件設(shè)計(jì)414
9.6.1 集流板414
9.6.2 端板415
9.7 電堆組裝工藝設(shè)計(jì)417
9.8 工程驗(yàn)證419
9.8.1 運(yùn)行條件驗(yàn)證419
9.8.2 電堆發(fā)電性能驗(yàn)證420
9.8.3 耐久性驗(yàn)證420
9.8.4 可靠性驗(yàn)證422
參考文獻(xiàn) 424
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