《直接液體燃料電池》是先進電化學能源存儲與轉化技術叢書分冊之一。本書根據直接液體燃料電池的特點、組成、結構，從燃料電池的關鍵材料和技術出發(fā)，重點介紹當今直接液體燃料電池在電極材料、離子交換膜、膜電極及電池集成技術方面的進展，并對其他具有潛在應用價值的液體燃料電催化給予關注。書中對直接液體燃料電池關鍵電極材料的制備與應用、電池組裝與測試技術均有詳細介紹，具有很重要的學術參考價值，借鑒本書內容可以快速展開相關的基礎與應用研究，并能深入了解當前能源電化學技術在本領域的研究進展。本書適合從事電化學、電催化、能源、材料及燃料電池技術等學科領域的科研工作者以及相關專業(yè)的研究生和高年級本科生參考學習。
可持續(xù)發(fā)展是當今社會的主旋律，碳達峰和碳中和的雙碳目標對實現(xiàn)文明社會的可持續(xù)發(fā)展至關重要。因此，開發(fā)可再生能源，建立清潔高效的新能源體系，是人類社會面臨的共同挑戰(zhàn)。燃料電池技術是直接將化學燃料的化學能通過電化學技術轉換成電能的一種清潔能源轉換技術，如果實現(xiàn)燃料的可持續(xù)與循環(huán)供給，則燃料電池技術將會帶給能源領域深刻的變革。
直接液體燃料電池屬于聚合物電解質膜燃料電池，是直接以富氫的液體小分子物質作為燃料，在電催化劑的作用下，將燃料的化學能轉變?yōu)殡娔�。與氫氧燃料電池技術相比，其功率密度較低，但具有較高的能量密度，結構適中，燃料容器尺寸小，可立即增壓以及易于存儲和運輸等優(yōu)點；迄今為止，已經成功地以商業(yè)規(guī)模生產了由甲醇和乙醇制成的直接液體燃料電池。盡管它們已經有了一定的影響，受制于一些關鍵材料與技術，其大規(guī)模的商業(yè)化應用仍然面臨巨大挑戰(zhàn)。為此，研究者們花費了大量的精力去推動直接液體燃料電池技術的發(fā)展。直接液體燃料電池的關鍵材料主要包括電催化劑與聚合物電解質膜。鑒于近年來取得的一系列進展，本書將圍繞直接液體燃料電池的特點、組成、結構從燃料電池的關鍵材料和技術出發(fā)，重點介紹當今直接液體燃料電池在電極材料、離子交換膜、膜電極及電池集成技術的進展，并對其他具有潛在應用價值的液體燃料電催化給予關注。本書的內容與素材主要來自專業(yè)研究人員的研究報道與研究經驗。鑒于術業(yè)有專攻，本書將直接液體燃料電池的內容分為陽極催化劑、陰極催化劑、質子交換膜、膜電極技術、電池集成及應用、堿性燃料電池技術與其他相關液體燃料電催化技術。
本書由揚州大學馮立綱教授負責組織并對內容進行審核。全書以第1章緒論開篇，由揚州大學馮立綱教授概述了直接液體燃料電池的相關概念、關鍵材料與電池結構、電池的性能評價，為以后章節(jié)的分類介紹進行鋪墊。第2章介紹了陽極電催化劑的相關內容，由華南理工大學崔志明教授和余素云博士撰寫，涵蓋了小分子燃料電催化的機理、催化劑的設計及制備、表征技術及性能評價、催化性能的深層次理解等。第3章講述了陰極催化劑的相關內容，由山東大學張進濤教授、舒欣欣和陳思博士撰寫，包括陰極側氧還原反應的原理與催化劑測量技術、催化劑性能評價、催化劑的設計及制備、催化劑理論模擬及催化機理和催化劑的發(fā)展現(xiàn)狀等。第4章是關于質子交換膜的相關內容，由武漢理工大學唐浩林教授和王朝博士負責，主要講述了質子交換膜材料的分類與表征方法，并闡述了全氟磺酸質子交換膜的特點、性質、應用及新型全氟磺酸質子交換膜的發(fā)展趨勢等。膜電極作為電池的核心發(fā)電部件在第5章進行了詳細介紹，由經驗豐富的中國科學院大連化學物理研究所王素力研究員負責撰寫，其主要內容包括膜電極的概念、表征及制備技術和相關制備工藝對性能的影響等。第6章直接液體燃料電池技術，由中國地質大學（武漢）的蔡衛(wèi)衛(wèi)教授負責，重點介紹了燃料電池的進料方式、關鍵技術、燃料電池的數學模型及數值模擬和電池集成技術。近年來，堿性直接液體燃料電池越來越多地受到人們的關注，第7章側重于在堿性條件運行的液體燃料電池技術，由北京航空航天大學盧善富教授和張勁博士負責撰寫，其內容包括堿性直接液體燃料電池的概念、原理、催化劑、陰離子交換膜等。除了比較常見的直接醇類燃料電池，其他一些富氫液體小分子燃料也得到了研究者的關注，因此，第8章由深圳大學的宋中心和鄧曉輝博士、符顯珠教授負責，介紹了一些潛在液體小分子燃料，比如二甲醚、硼氫化物、氨、肼、尿素等，并對其電催化氧化特點、電極材料進行了闡述。
本書的相關章節(jié)均來自該領域的知名教授或一線科研人員，他們根據自己的研究經驗與知識結構，盡量做到將該領域的基本知識與研究進展呈現(xiàn)給讀者，力求做到內容覆蓋較全面又突出重點。本書深入淺出，不僅具有專業(yè)性較強的知識體系探討，也具有研究進展的科普知識介紹，可以供大中專院校的學生及專業(yè)研究領域的研究人員閱讀參考。
本書的撰寫得到了一些朋友的幫助和支持，然而由于時間問題和學識水平有限，難免出現(xiàn)一些不足，敬請讀者批評指正。
編著者
第1章 緒論1
1.1 直接液體燃料電池概述2
1.1.1 直接液體燃料電池概況2
1.1.2 直接液體燃料電池工作原理5
1.2 直接液體燃料電池基本結構8
1.2.1 膜電極8
1.2.2 雙極板10
1.2.3 端板11
1.2.4 流場12
1.2.5 密封性12
1.2.6 輔助設備12
1.3 直接液體燃料電池的分類13
1.4 直接液體燃料電池關鍵材料20
1.4.1 催化劑20
1.4.2 載體21
1.4.3 固體電解質22
1.5 直接液體燃料電池性能評價26
1.5.1 極化曲線26
1.5.2 功率密度和能量密度28
1.5.3 長效性29
1.6 總結與展望30
參考文獻31
第2章 陽極催化劑41
2.1 陽極反應氧化機理42
2.1.1 甲醇電氧化機理42
2.1.2 乙醇電氧化機理44
2.1.3 甲酸電氧化機理45
2.2 陽極催化劑46
2.2.1 甲醇電氧化催化劑46
2.2.2 乙醇電氧化催化劑59
2.2.3 甲酸電氧化催化劑61
2.3 催化劑制備技術63
2.3.1 浸漬-液相還原法63
2.3.2 膠體法65
2.3.3 微乳法67
2.3.4 電化學法68
2.3.5 氣相還原法69
2.3.6 氣相沉積法70
2.3.7 高溫合金化法70
2.3.8 羰基簇合物法70
2.3.9 預沉積法71
2.3.10 離子液體法71
2.3.11 噴霧熱解法72
2.3.12 固相反應方法73
2.3.13 多醇過程法73
2.3.14 微波法74
2.3.15 組合法74
2.3.16 離子交換法74
2.3.17 輻照法75
2.4 催化劑表征技術75
2.4.1 物理表征76
2.4.2 電化學表征83
2.5 總結與展望90
參考文獻91
第3章 陰極催化劑108
3.1 電催化氧還原機理109
3.2 氧還原測試技術113
3.2.1 電化學測量暫態(tài)技術113
3.2.2 電化學測量穩(wěn)態(tài)技術115
3.2.3 旋轉環(huán)盤電極117
3.3 催化劑性能評價118
3.3.1 活性118
3.3.2 選擇性121
3.3.3 穩(wěn)定性及抗中毒能力123
3.4 催化劑理論設計124
3.4.1 理論基礎124
3.4.2 理論模型126
3.5 催化劑材料131
3.5.1 貴金屬催化劑131
3.5.2 非貴金屬催化劑139
3.6 催化機理149
3.6.1 結構效應149
3.6.2 電子效應150
3.6.3 粒徑效應151
3.7 可實用化催化劑152
3.8 總結與展望162
3.9 致謝163
參考文獻163
第4章 燃料電池質子交換膜材料179
4.1 概述180
4.2 質子交換膜材料類型181
4.2.1 全氟磺酸樹脂材料182
4.2.2 碳氫聚合物膜材料183
4.2.3 芳族聚合物膜材料183
4.2.4 酸堿基聚合物材料184
4.3 質子交換膜的表征方法185
4.3.1 小角X射線散射和小角度中子散射185
4.3.2 顯微鏡：一種直觀的結構研究技術186
4.3.3 熱試驗與動態(tài)力學性能189
4.3.4 正電子湮沒壽命譜191
4.3.5 介電弛豫：理解離子輸運與結構的關系191
4.4 全氟磺酸質子交換膜192
4.4.1 Nafion形態(tài)學193
4.4.2 Nafion的力學性能196
4.4.3 Nafion膜的電化學性質197
4.5 全氟磺酸樹脂膜材料的其他應用200
4.5.1 化學氣氛傳感器200
4.5.2 氯堿電池隔膜材料200
4.5.3 鋰硫電池功能分離器201
4.6 新型納米結構的全氟磺酸電解質材料202
4.6.1 介孔結構Nafion膜材料202
4.6.2 雜化納米結構質子交換膜204
4.6.3 酸堿基質子傳導電解質材料205
4.7 總結與展望207
參考文獻207
第5章 膜電極215
5.1 膜電極概念216
5.1.1 膜電極簡介216
5.1.2 擴散層221
5.2 膜電極的表征222
5.2.1 膜電極物理表征222
5.2.2 膜電極電化學測試226
5.3 膜電極的制備過程228
5.3.1 催化劑層的制備方法229
5.3.2 擴散層制備233
5.4 有序化膜電極233
5.4.1 介觀尺度有序電極研究進展234
5.4.2 微觀尺度有序電極研究進展239
5.5 自增濕膜電極244
5.6 總結與展望245
參考文獻245
第6章 直接液體燃料電池技術253
6.1 直接液體燃料電池進料方式254
6.1.1 主動式直接液體燃料電池254
6.1.2 被動式直接液體燃料電池256
6.2 直接液體燃料電池關鍵技術258
6.2.1 流場及集流體設計258
6.2.2 阻燃料（醇）結構設計260
6.2.3 兩相管理及燃料傳質優(yōu)化265
6.3 直接液體燃料電池模型及數值模擬270
6.3.1 建立燃料電池數學模型的意義270
6.3.2 燃料電池數學模型的分類與特點271
6.3.3 直接液體燃料電池數值模擬274
6.4 直接液體燃料電池集成技術276
6.4.1 微型直接液體燃料電池技術276
6.4.2 直接液體燃料電池電堆集成技術280
6.5 電池穩(wěn)定性及衰減分析281
6.6 總結與展望284
參考文獻285
第7章 堿性直接液體燃料電池289
7.1 概述290
7.2 堿性直接液體燃料電池工作原理291
7.3 催化劑293
7.3.1 陽極催化劑293
7.3.2 陰極催化劑299
7.4 陰離子交換膜310
7.4.1 堿性陰離子交換膜的物質傳輸與電導率310
7.4.2 堿性陰離子交換膜的穩(wěn)定性313
7.5 堿性直接液體燃料電池面臨的挑戰(zhàn)317
7.6 總結與展望318
參考文獻319
第8章 其他液體燃料電催化氧化329
8.1 二甲醚燃料330
8.1.1 電催化氧化概述331
8.1.2 電極材料332
8.2 硼氫化物燃料334
8.2.1 電催化氧化概述335
8.2.2 電極材料336
8.3 氨燃料340
8.3.1 電催化氧化概述342
8.3.2 電極材料342
8.4 肼燃料344
8.4.1 電催化氧化概述345
8.4.2 電極材料346
8.5 尿素燃料348
8.5.1 電催化氧化概述349
8.5.2 電極材料350
8.6 總結與展望351
參考文獻352
索引357
書單推薦
