离子交换膜燃料电池

丛书序 

前言 

第1章 离子交换膜燃料电池的电催化基础 1 

1.1 电催化基本概念 1 

1.1.1 电催化反应热力学 1 

1.1.2 电催化反应动力学 4 

1.2 电催化基本过程 6 

1.2.1 电催化氧气还原过程 6 

1.2.2 电催化氢气氧化过程 8 

1.2.3 电催化甲醇氧化过程 10 

1.2.4 电催化甲酸氧化过程 12 

1.3 电化学测量 14 

1.3.1 电化学测量体系 14 

1.3.2 电化学测量方法 17 

1.3.3 电催化过程原位表征 18 

参考文献 22 

第2章 氢氧化反应 26 

2.1 酸性氢氧化反应 26 

2.1.1 酸性氢氧化的反应机理 26 

2.1.2 酸性氢氧化电催化剂 27 

2.1.3 酸性氢氧化电催化剂的抗毒化研究进展 29 

2.2 碱性氢氧化反应 35 

2.2.1 碱性氢氧化的反应机理 35 

2.2.2 碱性氢氧化电催化剂的测试方法与电化学评价 37 

2.2.3 碱性氢氧化电催化剂 41 

2.3 小结与展望 44 

参考文献 45 

第3章 有机小分子电氧化 54 

3.1 甲醇电氧化 54 

3.1.1 甲醇电氧化反应机理 55 

3.1.2 甲醇电氧化过程中的毒化机制及规避手段 56 

3.1.3 小结 58 

3.2 甲酸电氧化 58 

3.2.1 甲酸电氧化反应机理 59 

3.2.2 甲酸电氧化过程中的毒化机制 60 

3.2.3 甲酸在Pt基和Pd基催化剂表面的电催化行为 62 

3.2.4 甲酸在单原子催化剂表面的电催化行为 66 

3.2.5 小结 68 

参考文献 68 

第4章 氧还原反应 72 

4.1 氧还原催化剂设计理论 72 

4.1.1 贵金属催化剂设计理论 72 

4.1.2 非贵金属催化剂设计理论 76 

4.2 酸性下的氧还原研究进展 85 

4.2.1 贵金属催化剂研究进展 85 

4.2.2 非贵金属催化剂研究进展 90 

4.3 碱性下的氧还原研究进展 92 

4.3.1 贵金属催化剂研究进展 93 

4.3.2 非贵金属催化剂研究进展 94 

4.3.3 非金属催化剂研究进展 100 

4.4 氧还原反应的挑战与展望 103 

4.4.1 贵金属催化剂挑战与展望 103 

4.4.2 非贵金属催化剂挑战和展望 104 

参考文献 106 

第5章 反应器中的高效表达 115 

5.1 燃料电池电堆的主要组件 115 

5.1.1 核心部件—膜电极 115 

5.1.2 双极板 128 

5.2 燃料电池系统 130 

5.2.1 电堆集成 130 

5.2.2 辅助子系统 133 

5.3 燃料电池的设计与性能表达 137 

5.3.1 燃料电池的设计 137 

5.3.2 燃料电池的性能表达 139 

参考文献 142 

第6章 离子交换膜燃料电池的未来展望 144 

6.1 坚持电极反应的基础研究 144 

6.1.1 阳极反应 144 

6.1.2 阴极反应 145 

6.2 加快核心技术的创新 146 

6.2.1 催化剂的开发 146 

6.2.2 电池部件的国产化 147 

6.2.3 膜电极和电堆工艺的优化 147 

6.3 推动离子交换膜燃料电池的商业化 147 

6.3.1 以氢燃料电池汽车产业为引领 147 

6.3.2 拓展应用领域 148 

6.3.3 完善产业布局 149

在深入探讨燃料电池中的关键科学问题之前，作为一个索引，引导读者进入本书的学习。从方法论的角度来看，首先读者对离子交换膜燃料电池要有一个

直观的感知：了解什么是离子交换膜燃料电池，它们如何工作，以及为什么要发展这类燃料电池。由此为起点，后续将带领读者继续深入学习，进行更深层次的了解。

能源是社会文明和经济进步的基础，其利用形式的多样化、创新化是提高社会生产力的强大动力。我国将具有多样性和均衡性特征的能源资源视作国家安全的重要组成部分。对此，本领域工作者应当将能源高效利用体系的建设工作置于首位，自觉服务于新发展格局的新需求。其中，以氢能为代表的新能源转换体系是能源体系建设中的重大机遇和挑战，也是能源与环境科学研究的重点和难点。氢能转换体系的构建强调完整的、中立的、自上而下的设计，要求统筹好目前已具备的条件及未来可拓展的资源，助力“双碳”目标达成。

燃料电池是氢能转换体系的核心技术。这项技术因其灵活性、可行性和快速启动而备受关注，并几乎已在所有可想象的应用中得到证明。燃料电池具有高效能、低噪声、零污染的优点，不仅可为固定和移动设备供电，在多种常规应用场景下都可取代传统内燃机。同时，随着小微型分布式电网的发展和普及，燃料电池还可满足大型固定式电站、家庭微型电网等特殊场所或特殊设备的供电需求。其工作原理最早于1839年由德国化学家Christian Friedrich Schönbein提出，后发展出多种不同的种类，包括碱性燃料电池（AFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、

固体氧化物燃料电池（SOFC）和离子交换膜燃料电池（PEMFC，也称质子交换膜燃料电池）。从商业应用上来看，熔融碳酸盐燃料电池、离子交换膜燃料电池和固体氧化物燃料电池是最主要的三种技术路线。其中，离子交换膜燃料电池由于工作温度低、启动快、比功率高等优点，非常适合应用于交通和固定式电源领域，逐步成为现阶段国内外主流应用技术。固体氧化物燃料电池具有燃料适应性广、能量转换效率高、全固态、模块化组装、零污染等优点，常用在大型集中供电、中型分电和小型家用热电联供领域作为固定电站。中国主要集中在离子交换膜燃料电池和固体氧化物燃料电池领域开展研发和产业化。其中，离子交换膜燃料电池已被公认为新能源电动汽车电源的最优选项之一。

离子交换膜燃料电池采用可传导离子的导电聚合物膜作为电解质，因而有时也被称为聚合物电解质燃料电池（PEFC）、固体聚合物燃料电池（SPFC）或者膜燃料电池。在早期（20世纪60年代），它们也曾被称为固体聚合物电解质燃料电池（SPEFC）。离子交换膜燃料电池实际上是一个集成的发电系统，需要有燃料供应系统、氧化剂系统、发电系统、水管理系统、热管理系统、电力系统以及控制系统等。电池结构的核心是一种聚合物膜，它具有一些独特的能力：不渗透气体，但可传导离子（带电的原子）。作为电解质的膜被挤压在两个多孔导电电极之间，这些电极通常由碳布或碳纤维纸制成。多孔电极和聚合物膜之间是催化层，通常由碳负载的铂颗粒组成。图1展示了基本电池配置。

在服役状态下，离子交换膜燃料电池的作用类似于厂房：作为原材料的燃料输送进来，产生电能（相当于产品）输送出去。这是燃料电池与传统电池的本质区别。虽然二者都依赖于基本的电化学反应原理，但是燃料电池在工作状态下并不被消耗，而是类似于加工燃料产生电能的“工厂”。虽然同作为能量转换工厂，燃料电池与内燃机也有明显区别，就以一个简单的反应来解释二者的不同：……