聚合物電解質(zhì)燃料電池：材料和運行物理原理

緒論1
第1章基本概念11
1.1燃料電池的原理和基本布局11
1.1.1燃料電池的自然界藍圖11
1.1.2電動勢11
1.1.3單節(jié)電池的基本構(gòu)造13
1.2燃料電池?zé)崃W(xué)14
1.3物質(zhì)傳輸過程18
1.3.1傳輸過程綜述18
1.3.2流道中的空氣流動18
1.3.3氣體擴散層和催化層中的傳輸20
1.4電位21
1.5熱產(chǎn)生和傳輸25
1.5.1陰極催化層中的熱產(chǎn)生25
1.5.2膜中熱產(chǎn)生26
1.5.3水蒸氣26
1.5.4熱傳導(dǎo)方程27
1.6燃料電池的催化作用簡介28
1.6.1電化學(xué)催化基本概念29
1.6.2電化學(xué)動力學(xué)29
1.7聚合物電解質(zhì)燃料電池中的關(guān)鍵材料：聚合物電解質(zhì)膜33
1.7.1膜的研究33
1.7.2基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)圖34
1.7.3誰是質(zhì)子最好的朋友?34
1.7.4質(zhì)子和水的耦合傳輸35
1.8聚合物電解質(zhì)燃料電池關(guān)鍵材料：多孔復(fù)合電極36
1.8.1催化層形貌37
1.8.2Pt的困境39
1.8.3催化層設(shè)計40
1.9Ⅰ型電極的性能42
1.9.1理想電極的運行42
1.9.2電極運行規(guī)則43
1.9.3性能模型是什么？46
1.10燃料電池模型的空間尺度47
第2章聚合物電解質(zhì)膜49
2.1簡介49
2.1.1聚合物電解質(zhì)膜的結(jié)構(gòu)和運行的基本原理49
2.1.2導(dǎo)電能力評估50
2.1.3PEM電導(dǎo)率：僅僅是組成的一個函數(shù)？50
2.1.4理解PEM結(jié)構(gòu)和性能的挑戰(zhàn)53
2.2聚合物電解質(zhì)膜的狀態(tài)54
2.2.1PEM的化學(xué)結(jié)構(gòu)和設(shè)計54
2.2.2水的作用55
2.2.3膜的結(jié)構(gòu)：實驗研究57
2.2.4膜的形貌：結(jié)構(gòu)模型59
2.2.5PEM中水和質(zhì)子的動力學(xué)性質(zhì)61
2.3PEM結(jié)構(gòu)形成理論和模型63
2.3.1帶電聚合物在溶液中的聚集現(xiàn)象63
2.3.2PEM自組裝的分子模型67
2.3.3粗粒度的分子動力學(xué)模擬71
2.4膜的水吸附和溶脹77
2.4.1PEM中的水：分類體系77
2.4.2水吸附現(xiàn)象78
2.4.3水吸附模型79
2.4.4毛細(xì)冷凝作用79
2.4.5單孔內(nèi)水吸收平衡80
2.4.6水吸附和溶脹的宏觀效應(yīng)86
2.4.7水吸附模型的優(yōu)點和限制92
2.5質(zhì)子傳輸93
2.5.1水中的質(zhì)子傳輸94
2.5.2表面質(zhì)子傳輸：為何麻煩？96
2.5.3生物學(xué)和單體中的表面質(zhì)子傳輸97
2.5.4模擬表面質(zhì)子傳輸：理論和計算98
2.5.5單孔內(nèi)質(zhì)子傳輸?shù)哪M100
2.5.6界面質(zhì)子動力學(xué)的原位算法102
2.5.7膜電導(dǎo)率的隨機網(wǎng)絡(luò)模型111
2.5.8電滲系數(shù)113
2.6結(jié)束語115
2.6.1自組裝的相分離膜形態(tài)學(xué)115
2.6.2外界條件下的水吸附和溶脹116
2.6.3水的結(jié)構(gòu)和分布116
2.6.4質(zhì)子和水的傳輸機制116
第3章催化層結(jié)構(gòu)與運行117
3.1質(zhì)子交換膜燃料電池的能量來源117
3.1.1催化層結(jié)構(gòu)與性能的基本原理117
3.1.2催化層中結(jié)構(gòu)與功能的形成119
3.1.3本章的概述和目標(biāo)122
3.2多孔電極的理論與建模123
3.2.1多孔電極理論簡史123
3.2.2誤解與存在爭議的問題125
3.3如何評估CCL的結(jié)構(gòu)設(shè)計？126
3.3.1粒子半徑分布的統(tǒng)計結(jié)果126
3.3.2Pt利用率的實驗評估方法127
3.3.3催化活性128
3.3.4基于原子的Pt納米粒子利用率因子129
3.3.5統(tǒng)計利用率因子129
3.3.6非均勻反應(yīng)速率分布：效率因子131
3.3.7氧消耗過程中的效率因子：一個簡單的例子132
3.4理論和模型中的最高水平：多尺度耦合133
3.5燃料電池催化劑的納米尺度現(xiàn)象135
3.5.1粒子尺寸效應(yīng)135
3.5.2Pt納米粒子的內(nèi)聚能136
3.5.3電化學(xué)氧化中COad的活性和非活性位點139
3.5.4Pt納米顆粒氧化產(chǎn)物的表面多向性143
3.6Pt氧還原反應(yīng)的電催化146
3.6.1Sabatier-Volcano原理146
3.6.2實驗觀察148
3.6.3Pt氧化物形成和還原149
3.6.4ORR反應(yīng)的相關(guān)機制151
3.6.5ORR反應(yīng)的自由能154
3.6.6解密ORR反應(yīng)155
3.6.7關(guān)鍵的說明157
3.7水填充納米孔洞的ORR反應(yīng)：靜電效應(yīng)158
3.7.1無離聚物的超薄催化層158
3.7.2具有帶電金屬內(nèi)壁的充水孔洞模型161
3.7.3控制方程與邊界條件162
3.7.4求解穩(wěn)態(tài)模型164
3.7.5界面的充電行為165
3.7.6電位相關(guān)的靜電效應(yīng)166
3.7.7納米孔洞模型的評價169
3.7.8納米質(zhì)子燃料電池：一種新的設(shè)計規(guī)則？172
3.8催化層的結(jié)構(gòu)形式及其有效性質(zhì)172
3.8.1分子動力學(xué)模擬174
3.8.2CLs原子尺度的MD模擬174
3.8.3催化層溶液中自組裝結(jié)構(gòu)的中等尺度模型175
3.8.4粗粒度模型中力場的參數(shù)化177
3.8.5計算細(xì)節(jié)179
3.8.6微觀結(jié)構(gòu)分析179
3.8.7CLs中微觀結(jié)構(gòu)的形成180
3.8.8重新定義催化層中的離聚物結(jié)構(gòu)182
3.8.9催化層中自組裝現(xiàn)象：結(jié)論185
3.9傳統(tǒng)CCL的結(jié)構(gòu)模型和有效屬性185
3.9.1催化層結(jié)構(gòu)的實驗研究186
3.9.2滲透理論的關(guān)鍵概念188
3.9.3滲透理論在催化層性能中的應(yīng)用190
3.9.4交換電流密度192
3.10結(jié)束語193
第4章催化層性能模擬195
4.1催化層性能模型的基本構(gòu)架196
4.1.1催化層催化性能模型196
4.1.2催化層的水：初步準(zhǔn)備197
4.2陰極催化層遷移和反應(yīng)模型198
4.3CCL運算標(biāo)準(zhǔn)模型199
4.3.1具有恒定性能的宏觀均勻理論模型202
4.3.2過渡區(qū)域：兩種極限情況205
4.3.3MHM模型結(jié)構(gòu)優(yōu)化206
4.3.4催化層中的水：水含量閾值207
4.3.5CCL分級模型211
4.4恒定系數(shù)的MHM：解析解214
4.5理想情況下的質(zhì)子轉(zhuǎn)移過程217
4.5.1方程的簡化及解答217
4.5.2低槽電流值(ζ01)219
4.5.3高槽電流情況(ζ01)220
4.5.4過渡區(qū)域222
4.6氧氣擴散的理想狀態(tài)222
4.6.1約化方程組和運動積分222
4.6.2對于ε*1和ε2*j201的情況223
4.6.3ε2*20參數(shù)值較大的情況224
4.6.4極化曲線的另一種簡化形式228
4.6.5反應(yīng)滲透深度230
4.7弱氧擴散極限230
4.7.1通過平面形狀230
4.7.2極化曲線232
4.7.3γ的表達式233
4.7.4什么時候氧氣擴散引起的電位降可以忽略不計？234
4.8氧氣擴散引起的電位損失從較小到中等程度的極化曲線234
4.94.4～4.7節(jié)備注237
4.10直接甲醇燃料電池238
4.10.1DMFC中的陰極催化層238
4.10.2DMFC的陽極催化層248
4.11催化層的優(yōu)化257
4.11.1引言257
4.11.2模型257
4.11.3擔(dān)載量優(yōu)化260
4.12催化層的熱通量263
4.12.1引言263
4.12.2基本方程264
4.12.3低電流密度區(qū)域265
4.12.4高電流密度區(qū)域265
4.12.5熱通量的一般方程266
4.12.6備注267
第5章應(yīng)用268
5.1應(yīng)用章節(jié)介紹268
5.2燃料電池模型中的聚合物電解質(zhì)薄膜269
5.3PEM中水的動態(tài)吸附及流體分布269
5.3.1膜電極中水的傳質(zhì)269
5.3.2PEM中水滲透作用的實驗研究270
5.3.3PEM中水流的非原位模型272
5.4燃料電池模型中膜的性能279
5.4.1理想條件下膜的運行性能279
5.4.2PEM運行的宏觀模型：一般概念了解279
5.4.3水滲透模型的結(jié)果281
5.4.4擴散與水滲透的比較282
5.4.5膜中水分布和水流283
5.4.6總結(jié)：PEM的運行283
5.5燃料電池的性能模型284
5.5.1介紹284
5.5.2GDL中氧氣的傳質(zhì)損失285
5.5.3流道中氧氣傳質(zhì)導(dǎo)致的電壓損失286
5.5.4極化曲線擬合292
5.6催化層阻抗的物理模型294
5.6.1引言294
5.6.2RC并聯(lián)電路的阻抗294
5.6.3CCL的阻抗296
5.6.4混合的質(zhì)子和氧氣傳質(zhì)極限306
5.6.5DMFC陰極的阻抗307
5.7PEM燃料電池陰極的阻抗313
5.7.1模型假設(shè)313
5.7.2陰極催化層的阻抗314
5.7.3GDL內(nèi)的氧氣傳質(zhì)315
5.7.4流道內(nèi)的氧氣傳質(zhì)316
5.7.5數(shù)值解和阻抗317
5.7.6局域譜圖和總譜圖317
5.7.7恒定的化學(xué)計量比與恒定的氧氣流320
5.8燃料分布不均導(dǎo)致的碳腐蝕324
5.8.1PEFCs中氫氣耗竭導(dǎo)致的碳腐蝕324
5.8.2DMFC中由于甲醇耗盡導(dǎo)致的碳和Ru的腐蝕332
5.9PEM燃料電池陽極的盲點337
5.9.1模型337
5.9.2電流雙電層340
參考文獻344
縮略語380
命名382