先进电化学能源存储与转化技术丛书--直接液体燃料电池

《直接液体燃料电池》是“先进电化学能源存储与转化技术丛书”分册之一。本书根据直接液体燃料电池的特点、组成、结构，从燃料电池的关键材料和技术出发，重点介绍当今直接液体燃料电池在电极材料、离子交换膜、膜电极及电池集成技术方面的进展，并对其他具有潜在应用价值的液体燃料电催化给予关注。书中对直接液体燃料电池关键电极材料的制备与应用、电池组装与测试技术均有详细介绍，具有很重要的学术参考价值，借鉴本书内容可以快速展开相关的基础与应用研究，并能深入了解当前能源电化学技术在本领域的研究进展。
本书适合从事电化学、电催化、能源、材料及燃料电池技术等学科领域的科研工作者以及相关专业的研究生和高年级本科生参考学习。

本书的相关章节均来自于该领域的知名教授或一线科研人员，他们根据自己的研究经验与知识结构，尽量做到将该领域的基本知识与研究进展呈现给读者，力求做到内容覆盖较全面又不失重点介绍。书中根据直接液体燃料电池的特点、组成、结构从燃料电池的关键材料和技术出发，重点介绍直接液体燃料电池电极材料、离子交膜、膜电极及电池集成技术的进展，并对其它具有潜在应用价值的液体燃料电催化给予关注。本书对直接液体电池的关键电极材料的制备与应、电池组装与测试技术均有详细介绍。

可持续发展是当今社会的主旋律，“碳达峰”和“碳中和”的“双碳”目标对实现文明社会的可持续发展至关重要。因此，开发可再生能源，建立清洁高效的新能源体系，是人类社会面临的共同挑战。燃料电池技术是直接将化学燃料的化学能通过电化学技术转换成电能的一种清洁能源转换技术，如果实现燃料的可持续与循环供给，则燃料电池技术将会带给能源领域深刻的变革。
直接液体燃料电池属于聚合物电解质膜燃料电池，是直接以富氢的液体小分子物质作为燃料，在电催化剂的作用下，将燃料的化学能转变为电能。与氢氧燃料电池技术相比，其功率密度较低，但具有较高的能量密度，结构适中，燃料容器尺寸小，可立即增压以及易于存储和运输等优点；迄今为止，已经成功地以商业规模生产了由甲醇和乙醇制成的直接液体燃料电池。尽管它们已经有了一定的影响，受制于一些关键材料与技术，其大规模的商业化应用仍然面临巨大挑战。为此，研究者们花费了大量的精力去推动直接液体燃料电池技术的发展。直接液体燃料电池的关键材料主要包括电催化剂与聚合物电解质膜。鉴于近年来取得的一系列进展，本书将围绕直接液体燃料电池的特点、组成、结构从燃料电池的关键材料和技术出发，重点介绍当今直接液体燃料电池在电极材料、离子交换膜、膜电极及电池集成技术的进展，并对其他具有潜在应用价值的液体燃料电催化给予关注。本书的内容与素材主要来自专业研究人员的研究报道与研究经验。鉴于术业有专攻，本书将直接液体燃料电池的内容分为阳极催化剂、阴极催化剂、质子交换膜、膜电极技术、电池集成及应用、碱性燃料电池技术与其他相关液体燃料电催化技术。
本书由扬州大学冯立纲教授负责组织并对内容进行审核。全书以第1章绪论开篇，由扬州大学冯立纲教授概述了直接液体燃料电池的相关概念、关键材料与电池结构、电池的性能评价，为以后章节的分类介绍进行铺垫。第2章介绍了阳极电催化剂的相关内容，由华南理工大学崔志明教授和余素云博士撰写，涵盖了小分子燃料电催化的机理、催化剂的设计及制备、表征技术及性能评价、催化性能的深层次理解等。第3章讲述了阴极催化剂的相关内容，由山东大学张进涛教授、舒欣欣和陈思博士撰写，包括阴极侧氧还原反应的原理与催化剂测量技术、催化剂性能评价、催化剂的设计及制备、催化剂理论模拟及催化机理和催化剂的发展现状等。第4章是关于质子交换膜的相关内容，由武汉理工大学唐浩林教授和王朝博士负责，主要讲述了质子交换膜材料的分类与表征方法，并阐述了全氟磺酸质子交换膜的特点、性质、应用及新型全氟磺酸质子交换膜的发展趋势等。膜电极作为电池的核心发电部件在第5章进行了详细介绍，由经验丰富的中国科学院大连化学物理研究所王素力研究员负责撰写，其主要内容包括膜电极的概念、表征及制备技术和相关制备工艺对性能的影响等。第6章直接液体燃料电池技术，由中国地质大学（武汉）的蔡卫卫教授负责，重点介绍了燃料电池的进料方式、关键技术、燃料电池的数学模型及数值模拟和电池集成技术。近年来，碱性直接液体燃料电池越来越多地受到人们的关注，第7章侧重于在碱性条件运行的液体燃料电池技术，由北京航空航天大学卢善富教授和张劲博士负责撰写，其内容包括碱性直接液体燃料电池的概念、原理、催化剂、阴离子交换膜等。除了比较常见的直接醇类燃料电池，其他一些富氢液体小分子燃料也得到了研究者的关注，因此，第8章由深圳大学的宋中心和邓晓辉博士、符显珠教授负责，介绍了一些潜在液体小分子燃料，比如二甲醚、硼氢化物、氨、肼、尿素等，并对其电催化氧化特点、电极材料进行了阐述。
本书的相关章节均来自该领域的知名教授或一线科研人员，他们根据自己的研究经验与知识结构，尽量做到将该领域的基本知识与研究进展呈现给读者，力求做到内容覆盖较全面又突出重点。本书深入浅出，不仅具有专业性较强的知识体系探讨，也具有研究进展的科普知识介绍，可以供大中专院校的学生及专业研究领域的研究人员阅读参考。
本书的撰写得到了一些朋友的帮助和支持，然而由于时间问题和学识水平有限，难免出现一些不足，敬请读者批评指正。

编著者

第1章 绪论1
1.1　直接液体燃料电池概述2
1.1.1　直接液体燃料电池概况2
1.1.2　直接液体燃料电池工作原理5
1.2　直接液体燃料电池基本结构8
1.2.1　膜电极8
1.2.2　双极板10
1.2.3　端板11
1.2.4　流场12
1.2.5　密封性12
1.2.6　辅助设备12
1.3　直接液体燃料电池的分类13
1.4　直接液体燃料电池关键材料20
1.4.1　催化剂20
1.4.2　载体21
1.4.3　固体电解质22
1.5　直接液体燃料电池性能评价26
1.5.1　极化曲线26
1.5.2　功率密度和能量密度28
1.5.3　长效性29
1.6　总结与展望30
参考文献31

第2章 阳极催化剂41　
2.1　阳极反应氧化机理42
2.1.1　甲醇电氧化机理42
2.1.2　乙醇电氧化机理44
2.1.3　甲酸电氧化机理45
2.2　阳极催化剂46
2.2.1　甲醇电氧化催化剂46
2.2.2　乙醇电氧化催化剂59
2.2.3　甲酸电氧化催化剂61
2.3　催化剂制备技术63
2.3.1　浸渍-液相还原法63
2.3.2　胶体法65
2.3.3　微乳法67
2.3.4　电化学法68
2.3.5　气相还原法69
2.3.6　气相沉积法70
2.3.7　高温合金化法70
2.3.8　羰基簇合物法70
2.3.9　预沉积法71
2.3.10　离子液体法71
2.3.11　喷雾热解法72
2.3.12　固相反应方法73
2.3.13　多醇过程法73
2.3.14　微波法74
2.3.15　组合法74
2.3.16　离子交换法74
2.3.17　辐照法75
2.4　催化剂表征技术75
2.4.1　物理表征76
2.4.2　电化学表征83
2.5　总结与展望90
参考文献91

第3章 阴极催化剂108　
3.1　电催化氧还原机理109
3.2　氧还原测试技术113
3.2.1　电化学测量暂态技术113
3.2.2　电化学测量稳态技术115
3.2.3　旋转环盘电极117
3.3　催化剂性能评价118
3.3.1　活性118
3.3.2　选择性121
3.3.3　稳定性及抗中毒能力123
3.4　催化剂理论设计124
3.4.1　理论基础124
3.4.2　理论模型126
3.5　催化剂材料131
3.5.1　贵金属催化剂131
3.5.2　非贵金属催化剂139
3.6　催化机理149
3.6.1　结构效应149
3.6.2　电子效应150
3.6.3　粒径效应151
3.7　可实用化催化剂152
3.8　总结与展望162
3.9　致谢163
参考文献163

第4章 燃料电池质子交换膜材料179
4.1　概述180
4.2　质子交换膜材料类型181
4.2.1　全氟磺酸树脂材料182
4.2.2　碳氢聚合物膜材料183
4.2.3　芳族聚合物膜材料183
4.2.4　酸碱基聚合物材料184
4.3　质子交换膜的表征方法185
4.3.1　小角X射线散射和小角度中子散射185
4.3.2　显微镜：一种直观的结构研究技术186
4.3.3　热试验与动态力学性能189
4.3.4　正电子湮没寿命谱191
4.3.5　介电弛豫：理解离子输运与结构的关系191
4.4　全氟磺酸质子交换膜192
4.4.1　Nafion形态学193
4.4.2　Nafion的力学性能196
4.4.3　Nafion膜的电化学性质197
4.5　全氟磺酸树脂膜材料的其他应用200
4.5.1　化学气氛传感器200
4.5.2　氯碱电池隔膜材料200
4.5.3　锂硫电池功能分离器201
4.6　新型纳米结构的全氟磺酸电解质材料202
4.6.1　介孔结构Nafion膜材料202
4.6.2　杂化纳米结构质子交换膜204
4.6.3　酸碱基质子传导电解质材料205
4.7　总结与展望207
参考文献207

第5章 膜电极215
5.1　膜电极概念216
5.1.1　膜电极简介216
5.1.2　扩散层221
5.2　膜电极的表征222
5.2.1　膜电极物理表征222
5.2.2　膜电极电化学测试226
5.3　膜电极的制备过程228
5.3.1　催化剂层的制备方法229
5.3.2　扩散层制备233
5.4　有序化膜电极233
5.4.1　介观尺度有序电极研究进展234
5.4.2　微观尺度有序电极研究进展239
5.5　自增湿膜电极244
5.6　总结与展望245
参考文献245

第6章 直接液体燃料电池技术253
6.1　直接液体燃料电池进料方式254
6.1.1　主动式直接液体燃料电池254
6.1.2　被动式直接液体燃料电池256
6.2　直接液体燃料电池关键技术258
6.2.1　流场及集流体设计258
6.2.2　阻燃料（醇）结构设计260
6.2.3　两相管理及燃料传质优化265
6.3　直接液体燃料电池模型及数值模拟270
6.3.1　建立燃料电池数学模型的意义270
6.3.2　燃料电池数学模型的分类与特点271
6.3.3　直接液体燃料电池数值模拟274
6.4　直接液体燃料电池集成技术276
6.4.1　微型直接液体燃料电池技术276
6.4.2　直接液体燃料电池电堆集成技术280
6.5　电池稳定性及衰减分析281
6.6　总结与展望284
参考文献285

第7章 碱性直接液体燃料电池289
7.1　概述290
7.2　碱性直接液体燃料电池工作原理291
7.3　催化剂293
7.3.1　阳极催化剂293
7.3.2　阴极催化剂299
7.4　阴离子交换膜310
7.4.1　碱性阴离子交换膜的物质传输与电导率310
7.4.2　碱性阴离子交换膜的稳定性313
7.5　碱性直接液体燃料电池面临的挑战317
7.6　总结与展望318
参考文献319

第8章 其他液体燃料电催化氧化329
8.1　二甲醚燃料330
8.1.1　电催化氧化概述331
8.1.2　电极材料332
8.2　硼氢化物燃料334
8.2.1　电催化氧化概述335
8.2.2　电极材料336
8.3　氨燃料340
8.3.1　电催化氧化概述342
8.3.2　电极材料342
8.4　肼燃料344
8.4.1　电催化氧化概述345
8.4.2　电极材料346
8.5　尿素燃料348
8.5.1　电催化氧化概述349
8.5.2　电极材料350
8.6　总结与展望351
参考文献352
　
索引357