相關主題
商品描述
本書是圍繞我國“碳中和”發展目標和 《新能源汽車產業發展規劃（2021—2035年）》發展願景，為構建“碳中和”交通體系而編寫的“碳中和交通出版工程·氫能燃料電池動力系統系列”之一。 質子交換膜燃料電池堆（簡稱電堆）是氫能載運工具及熱電聯供動力系統的核心器件。近年來，汽車用燃料電池相關基礎理論和共性技術發展得很快，質子交換膜燃料電池堆步入了商業化前期軌道。本書首先介紹了電堆概述、電堆的工作原理與指標，其次介紹了電堆的性能設計、電堆的使用特性與系統匹配、電堆的壽命與可靠性保障、電堆典型故障成因及糾正預防措施、電堆的制造工藝與質量監測等相關基礎共性技術， 提出了電堆材料的進階需求，列舉了電堆的概念設計流程。本書融合了電堆理論知識和作者十余年的工程實踐經驗， 現實指導意義。 本書可供高等院校師生、制造業企業和研究機構的工程技術研究人員及對電堆制造感興趣的讀者閱讀。
作者簡介
明平文，博士，教授， 特殊津貼專家， 萬人計劃“中青年科技創新領軍人才”，遼寧省 專家，大連市政府特殊津貼專家，遼寧省“十大傑出青年”，十四五“新能源汽車燃料電池動力系統”重點專項專家組組長。主要從事燃料電池中傳遞現象和水熱管理研究，組織、主持質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、系統集成設計及調試運行。 提出增壓型車用燃料電池系統及金屬薄板沖壓成型雙極板電堆等概念， 實現氫/氧燃料電池動力的深潛器海試運行20余次， 完成10千瓦級重整器-燃料電池系統熱電聯供3000小時實驗。
目錄大綱
叢書序
前?言
第1章 概述
1.1 質子交換膜燃料電池簡史006
1.2 我國PEMFC發展簡史008
1.3 PEMFC分類010
1.3.1 不同方式的分類010
1.3.2 典型的應用系統架構013
1.4 PEMFC的電堆結構018
1.4.1 電堆模塊018
1.4.2 供氣分配機構021
1.4.3 電堆緊固結構024
1.4.4 電堆 緣結構026
1.4.5 電堆密封結構027
1.4.6 單電池027
參考文獻 028
第2章 電堆的工作原理與指標
2.1 電極過程032
2.1.1 電極過程熱力學035
2.1.2 電極過程動力學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 水熱狀態與離子電導049
2.3 導電與導熱051
2.3.1 電子傳輸與內電阻051
2.3.2 熱量傳導與內部溫度052
2.4 物質傳遞過程059
2.4.1 反應與吸附059
2.4.2 水在膜中的輸運060
2.4.3 跨尺度擴散063
2.4.4 液態水的排除064
2.5 流體分布特性065
2.5.1 二維流場分布066
2.5.2 三維流場分布071
2.5.3 非線性分布074
參考文獻 075
第3章 電堆的性能設計
3.1 電堆的性能要求與結構082
3.1.1 堆疊技術簡介082
3.1.2 電堆堆疊要求及關鍵部件083
3.2 單元電池反應區的設計086
3.2.1 極化曲線的展開標定與目標設定086
3.2.2 活化極化的改進088
3.2.3 歐姆極化的改進089
3.2.4 傳質極化的改進091
3.2.5 傳熱與換熱結構092
3.2.6 體積功率密度的提升093
3.3 單元電池導流區的設計095
3.4 單元電池流場區的設計096
3.5 電堆總孔、恒溫與節間分配設計101
3.6 電堆密封結構與夾緊設計102
3.7 電堆導電結構與 緣措施106
3.7.1 電堆導電結構106
3.7.2 電堆 緣措施106
參考文獻 109
第4章 電堆的使用特性與系統匹配
4.1 電堆的電容特性與電路匹配112
4.1.1 電力調節112
4.1.2 電力轉化114
4.1.3 監控系統115
4.1.4 電力供給管理系統115
4.1.5 電容特性116
4.2 電堆的供氣系統與壓力匹配117
4.2.1 氫氣供給子系統117
4.2.2 空氣供給子系統120
4.2.3 壓力控制與匹配123
4.3 電堆的測試系統與條件模擬124
4.3.1 測試系統的構成125
4.3.2 測試系統的調試127
4.3.3 測試工況127
參考文獻 128
第5章 電堆的壽命與可靠性保障
5.1 反應劑雜質引起的失效與應對措施132
5.1.1 空氣雜質引起的失效與應對133
5.1.2 氫氣雜質引起的失效與應對138
5.1.3 冷卻劑雜質引起的失效與應對147
5.2 低溫環境導致的“結冰”損傷與自啟動技術149
5.2.1 停機殘存水結冰引起的損傷149
5.2.2 排水結構改進與停機操作對策153
5.2.3 低溫自啟動策略與材料選擇155
5.3 流體工況引起的衰退與損傷158
5.3.1 膜兩側壓差引起的形變與剪切損傷158
5.3.2 進氣幹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 負載工況引起的衰退與抑制技術168
5.4.1 催化劑、載體及質子導體電化學衰退機理168
5.4.2 啟停工況衰退誘因與應對策略175
5.4.3 變載工況衰退誘因與應對策略177
5.4.4 怠速工況衰退誘因與應對策略179
5.5 電堆材料衰變產物引起的失效與診斷180
5.5.1 金屬離子滲出與離子導體汙染180
5.5.2 有機碎片溶出與催化劑汙染182
參考文獻 184
第6章 電堆典型故障成因及糾正預防措施
6.1 高電位198
6.1.1 怠速點的高電位198
6.1.2 啟停過程的氫空界面199
6.1.3 高電位的糾正預防措施—吹掃策略的研究201
6.1.4 小結206
6.2 反應物饑餓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218
6.6.1 低溫冷啟動的影響218
6.6.2 快速低溫冷啟動策略的研究218
6.7 可逆性衰退與性能恢覆方法研究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的研究228
6.7.3 小結240
6.8 電堆節間和節內非一致性衰退的研究240
6.8.1 測試對象、設備及方法241
6.8.2 結果與討論244
6.8.3 小結256
參考文獻 257
第7章 電堆的制造工藝與質量監測
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 催化劑漿料塗布與幹燥286
7.3 擴散介質制造工藝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/金屬覆合雙極板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 電堆儲存與運輸342
參考文獻 343
第8章 電堆材料的進階需求
8.1 質子傳導電解質與隔膜358
8.1.1 質子傳導電解質與隔膜概述358
8.1.2 全氟磺酸質子交換膜358
8.1.3 其他質子交換膜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的力學性能380
8.3.3 GDL的親水/疏水性384
8.3.4 GDL的導電性和導熱性384
8.3.5 GDL表面形態385
8.3.6 GDL電化學特性386
8.3.7 GDL制造方法387
8.3.8 GDL研究、開發和商業化趨勢392
8.4 雙極板基材393
8.4.1 雙極板的特點和功能393
8.4.2 PEMFC流場設計模型394
8.4.3 雙極板的材料與改性394
8.4.4 不銹鋼和塗層395
8.4.5 有色合金和塗層397
8.4.6 雙極板的制作398
參考文獻 399
第9章 電堆概念設計流程
9.1 電堆概念設計406
9.2 電堆的組成及功能407
9.3 客戶需求及目標分解408
9.4 膜電極組件設計409
9.5 雙極板設計411
9.6 輔助部件設計414
9.6.1 集流板414
9.6.2 端板415
9.7 電堆組裝工藝設計417
9.8 工程驗證419
9.8.1 運行條件驗證419
9.8.2 電堆發電性能驗證420
9.8.3 耐久性驗證420
9.8.4 可靠性驗證422
參考文獻 424
