聚合物電解質燃料電池：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)電池的基本構造13
1.2燃料電池熱力學14
1.3物質傳輸過程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熱傳導方程27
1.6燃料電池的催化作用簡介28
1.6.1電化學催化基本概念29
1.6.2電化學動力學29
1.7聚合物電解質燃料電池中的關鍵材料：聚合物電解質膜33
1.7.1膜的研究33
1.7.2基礎結構圖34
1.7.3誰是質子最好的朋友?34
1.7.4質子和水的耦合傳輸35
1.8聚合物電解質燃料電池關鍵材料：多孔復合電極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章聚合物電解質膜49
2.1簡介49
2.1.1聚合物電解質膜的結構和運行的基本原理49
2.1.2導電能力評估50
2.1.3PEM電導率：僅僅是組成的一個函數(shù)？50
2.1.4理解PEM結構和性能的挑戰(zhàn)53
2.2聚合物電解質膜的狀態(tài)54
2.2.1PEM的化學結構和設計54
2.2.2水的作用55
2.2.3膜的結構：實驗研究57
2.2.4膜的形貌：結構模型59
2.2.5PEM中水和質子的動力學性質61
2.3PEM結構形成理論和模型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86
2.4.7水吸附模型的優(yōu)點和限制92
2.5質子傳輸93
2.5.1水中的質子傳輸94
2.5.2表面質子傳輸：為何麻煩？96
2.5.3生物學和單體中的表面質子傳輸97
2.5.4模擬表面質子傳輸：理論和計算98
2.5.5單孔內(nèi)質子傳輸?shù)哪M100
2.5.6界面質子動力學的原位算法102
2.5.7膜電導率的隨機網(wǎng)絡模型111
2.5.8電滲系數(shù)113
2.6結束語115
2.6.1自組裝的相分離膜形態(tài)學115
2.6.2外界條件下的水吸附和溶脹116
2.6.3水的結構和分布116
2.6.4質子和水的傳輸機制116
第3章催化層結構與運行117
3.1質子交換膜燃料電池的能量來源117
3.1.1催化層結構與性能的基本原理117
3.1.2催化層中結構與功能的形成119
3.1.3本章的概述和目標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的結構設計？126
3.3.1粒子半徑分布的統(tǒng)計結果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135
3.5.2Pt納米粒子的內(nèi)聚能136
3.5.3電化學氧化中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反應的相關機制151
3.6.5ORR反應的自由能154
3.6.6解密ORR反應155
3.6.7關鍵的說明157
3.7水填充納米孔洞的ORR反應：靜電效應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電位相關的靜電效應166
3.7.7納米孔洞模型的評價169
3.7.8納米質子燃料電池：一種新的設計規(guī)則？172
3.8催化層的結構形式及其有效性質172
3.8.1分子動力學模擬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構的中等尺度模型175
3.8.4粗粒度模型中力場的參數(shù)化177
3.8.5計算細節(jié)179
3.8.6微觀結構分析179
3.8.7CLs中微觀結構的形成180
3.8.8重新定義催化層中的離聚物結構182
3.8.9催化層中自組裝現(xiàn)象：結論185
3.9傳統(tǒng)CCL的結構模型和有效屬性185
3.9.1催化層結構的實驗研究186
3.9.2滲透理論的關鍵概念188
3.9.3滲透理論在催化層性能中的應用190
3.9.4交換電流密度192
3.10結束語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：初步準備197
4.2陰極催化層遷移和反應模型198
4.3CCL運算標準模型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模型結構優(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理想情況下的質子轉移過程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章應用268
5.1應用章節(jié)介紹268
5.2燃料電池模型中的聚合物電解質薄膜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：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中氧氣的傳質損失285
5.5.3流道中氧氣傳質導致的電壓損失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混合的質子和氧氣傳質極限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313
5.7.2陰極催化層的阻抗314
5.7.3GDL內(nèi)的氧氣傳質315
5.7.4流道內(nèi)的氧氣傳質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恒定的化學計量比與恒定的氧氣流320
5.8燃料分布不均導致的碳腐蝕324
5.8.1PEFCs中氫氣耗竭導致的碳腐蝕324
5.8.2DMFC中由于甲醇耗盡導致的碳和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