质子交换膜燃料电池堆

面对日益增长的能源需求和紧迫的环境污染问题，开发零/低碳的可再生能源是保障我国能源安全和带动全产业链高质量发展的必然选择。氢能具备物质和能源双重属性，在供电、供热、交通运输及长时储能等方面有着巨大的潜力，是可再生新能源体系中的重要组成部分。作为氢能利用的重要转化装置，质子交换膜燃料电池具备效率高、功率密度高、易于启动等优点，在交通运输领域具有很大的应用潜力。我国政府在《新能源汽车产业发展规划（2021—2035年）》《汽车产业中长期发展规划》《能源技术革命创新行动计划（2016—2030年）》等顶层规划中指出，要鼓励并引导氢能燃料电池汽车产业发展。随着国家燃料电池汽车示范运营城市群的推广，质子交换膜燃料电池堆技术得到了快速发展。因此，有必要对质子交换膜燃料电池堆的技术发展进行总结归纳，并对有关未来电堆关键材料的进阶需求及概念设计流程进行预测，以期加快质子交换膜燃料电池商业化的步伐，促进社会逐步进入氢能时代。
本人从1994年开始进行燃料电池相关研究、开发与产业化推进，主要从事燃料电池电堆与系统技术及其过程工程研究。本人承担或主持了973、863、中国科学院重大科技专项等燃料电池相关课题30余项，2019年牵头国家重点研发计划“质子交换膜燃料电池堆可靠性、耐久性及制造工程技术”项目。本人牵头研发出国内首创的可量产、寿命超过5000h的车用电堆产品，重整燃料电池热电联供系统及潜航氢氧燃料电池系统样机；在燃料电池极板功能结构与材料、膜电极衰退与抑制、阴阳极水热管理与器件等研究方向，累计发表论文百余篇，授权并有效发明专利90多件。本人的研究成果先后获得中国汽车工业科技进步特等奖1项，辽宁省科学技术一等奖1项、二等奖2项。基于团队多年来的研究积累，由本人牵头撰写了这部著作。
本书详细介绍了质子交换膜燃料电池堆涉及的基本知识、原理、方法及改进措施。全书共分为9章：第1章介绍了质子交换膜燃料电池发展历史、分类、电堆系统结构和各组件功能；第2章~第4章总结了电堆工作原理、性能评价指标和改进策略，以及电堆使用特性和系统匹配需求；第5章~第7章总结了电堆寿命衰退原因与可靠性保障措施，典型故障成因及纠正预防措施，电堆制造工艺与关键质量监测措施；第8章和第9章展望了电堆关键组件发展趋势和电堆概念设计新方法、新举措。
本书是“碳中和交通出版工程·氢能燃料电池动力系统系列”中的一本，在此特别感谢系列图书组织单位同济大学新能源汽车工程中心及各合作企业、院校的大力支持和帮助。本书的内容是本人负责的国家重点研发计划项目及自然科学基金等研究成果的总结，在此对科学技术部、国家自然科学基金委员会和项目参与单位表示衷心的感谢。本书在杨代军老师、郑伟波老师和博士后唐富民、李淼协助下完成。博士生李翔、楚天阔、杨炎革、郭玉清、张晶晶、解蒙、万克创、史启通、康嘉伦、廉钰弢、霍然、岳才政、肖燕进行了书稿的校核，在此一并表示感谢。
本书可供可再生能源行业，特别是质子交换膜燃料电池电堆相关的从业人员参考，也可以作为高校能源与工程及相关专业学生的推荐用书。
由于理论与学识水平有限，书中难免存在谬误与不足之处，敬请读者批评与指正！

明平文

本书是围绕我国“碳中和”发展目标和 《新能源汽车产业发展规划（2021—2035年）》发展愿景，为构建“碳中和”交通体系而编写的“碳中和交通出版工程·氢能燃料电池动力系统系列”之一。
质子交换膜燃料电池堆（简称电堆）是氢能载运工具及热电联供动力系统的核心器件。近年来，汽车用燃料电池相关基础理论和共性技术发展得很快，质子交换膜燃料电池堆步入了商业化前期轨道。本书首先介绍了电堆概述、电堆的工作原理与指标，其次介绍了电堆的性能设计、电堆的使用特性与系统匹配、电堆的寿命与可靠性保障、电堆典型故障成因及纠正预防措施、电堆的制造工艺与质量监测等相关基础共性技术，最后提出了电堆材料的进阶需求，列举了电堆的概念设计流程。本书融合了电堆理论知识和作者十余年的工程实践经验，极具现实指导意义。
本书可供高等院校师生、制造业企业和研究机构的工程技术研究人员及对电堆制造感兴趣的读者阅读。

明平文，博士，教授，国务院特殊津贴专家，国家万人计划“中青年科技创新领军人才”，辽宁省优秀专家，大连市政府特殊津贴专家，辽宁省“十大杰出青年”，十四五“新能源汽车燃料电池动力系统”重点专项专家组组长。主要从事燃料电池中传递现象和水热管理研究，组织、主持质子交换膜燃料电池电堆与氢喷射器、空气增湿器等核心器件开发、系统集成设计及调试运行。国内首次提出增压型车用燃料电池系统及金属薄板冲压成型双极板电堆等概念，首次实现氢/氧燃料电池动力的深潜器海试运行20余次，首次完成10千瓦级重整器-燃料电池系统热电联供3000小时实验。

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

本书是围绕我国“碳中和”发展目标和 《新能源汽车产业发展规划（2021—2035年）》发展愿景，为构建“碳中和”交通体系而编写的“碳中和交通出版工程·氢能燃料电池动力系统系列”之一。
质子交换膜燃料电池堆（简称电堆）是氢能载运工具及热电联供动力系统的核心器件。近年来，汽车用燃料电池相关基础理论和共性技术发展得很快，质子交换膜燃料电池堆步入了商业化前期轨道。本书首先介绍了电堆概述、电堆的工作原理与指标，其次介绍了电堆的性能设计、电堆的使用特性与系统匹配、电堆的寿命与可靠性保障、电堆典型故障成因及纠正预防措施、电堆的制造工艺与质量监测等相关基础共性技术，最后提出了电堆材料的进阶需求，列举了电堆的概念设计流程。本书融合了电堆理论知识和作者十余年的工程实践经验，极具现实指导意义。
本书可供高等院校师生、制造业企业和研究机构的工程技术研究人员及对电堆制造感兴趣的读者阅读。

明平文，博士，教授，国务院特殊津贴专家，国家万人计划“中青年科技创新领军人才”，辽宁省优秀专家，大连市政府特殊津贴专家，辽宁省“十大杰出青年”，十四五“新能源汽车燃料电池动力系统”重点专项专家组组长。主要从事燃料电池中传递现象和水热管理研究，组织、主持质子交换膜燃料电池电堆与氢喷射器、空气增湿器等核心器件开发、系统集成设计及调试运行。国内首次提出增压型车用燃料电池系统及金属薄板冲压成型双极板电堆等概念，首次实现氢/氧燃料电池动力的深潜器海试运行20余次，首次完成10千瓦级重整器-燃料电池系统热电联供3000小时实验。