質子交換膜燃料電池催化劑漿料製備與應用（簡體書）

《質子交換膜燃料電池催化劑漿料制備與應用》主要圍繞質子交換膜燃料電池催化劑漿料展開闡述，包括催化劑漿料的制備分散過程，重點介紹催化劑顆粒的分散機理和催化劑漿料的分散技術；催化劑漿料的內部組分間的相互作用，重點介紹催化劑漿料中溶劑、離聚物和顆粒間的相互作用，以及這些相互作用對漿料的影響；催化劑漿料的穩定性，重點介紹催化劑漿料的穩定性機理以及漿料新物質的產生和影響；催化劑漿料的建模方法；催化劑漿料的成膜過程以及應用，重點介紹卷對卷過程中催化劑漿料的結構演變以及制備成催化層、膜電極和電堆後的實際應用性能。《質子交換膜燃料電池催化劑漿料制備與應用》可供開展燃料電池研究的高校相關專業師生作為教材，也可供相關科研院所研究人員和企業研發人員參考。

李冰，同濟大學汽車學院，副研究員，聚焦電容器高比能量技術和燃料電池膜電極與催化劑的抗電化學腐蝕技術，提出了車用電源所需的催化劑與電極、混合電容器提高動力性能及減少動態衰減的關鍵機制，形成了核心技術並實現工程應用，主持了國家自然科學基金2項，國家重大專項1項，中車重大項目1項，作為核心骨幹參與國家863項目4項，重大儀器項目1項，主持省部級1項，系統開展了電容器的表面荷電和燃料電池的動態衰減過程，獲得了大幅提升混合電容器的能量密度及動態工況下燃料電池膜電極和催化劑耐久性的結構定義；近5年，共發表*一或通訊作者SCI論文36篇，其中JCR一區18篇，SCI他引1698次(單篇650次；EIS 高被引論文2篇，熱點論文1篇。申請發明專利10項，其中全球授權專利1項；獲學術新人獎（2010），上海市優秀博士學位論文（2014），*二十屆“工博會二等獎”（2018）。

質子交換膜燃料電池催化劑漿料主要應用於汽車燃料電池，該項技術為國家能源戰略中“卡脖子”關鍵技術之一。本書的出版將彌補國內質子交換膜燃料電池催化劑漿料方面科技專著空白。

21 世紀以來，工業化和城市化進程快速發展，導致全球能源需求日益增長，環境問題加劇，世界各國日益依賴低碳和可再生能源。可再生能源的大規模發展和氫燃料電池、風電/光伏電解水制氫等高效電化學技術的逐步突破，為全球範圍內的大規模減碳提供了一種最具希望的戰略途徑。而質子交換膜燃料電池（ proton exchange membrane fuel cell，PEMFC），又被稱為聚合物電解質燃料電池，作為氫能利用中的核心技術之一，成為人們關注的熱點，在解決全球能源和氣候問題上發揮著重要的作用，能夠極大地提高能源利用效率，並且減少溫室氣體排放。
全球主要國家高度重視質子交換膜燃料電池的發展，美國、日本、德國、韓國等發達國家已經將燃料電池上升到國家能源戰略高度， 作為國家能源體系的重要組成部分，不斷加大對燃料電池技術研發的扶持推動力度。質子交換膜燃料電池在中國同樣具有重要地位，新時代中國燃料電池產業要負擔引領產業轉型升級和生態文明建設的雙重使命。與發達國家相比，中國在燃料電池自主技術研發、裝備製造等方面仍有一定差距，但產業化態勢全球領先。膜電極是燃料電池的“芯片”，催化層作為膜電極重要組成部分之一，由於結構設計不合理，一直面臨著陰極氧還原反應動力學過程緩慢以及質量傳輸過電位過高的問題，成為“卡脖子”環節。催化劑漿料作為傳統催化層構築的起點，對催化層內的反應活性、傳質（氣、水）、傳荷（質子、電子）以及傳熱等都有著非常重要的影響。目前大規模、可持續的生產催化層或膜電極的需求越來越大，然而，以往的研究關注最多的就是新材料的開發或者聚焦於催化層或者膜電極，對漿料的研究往往不夠深入。
目前市場上關於燃料電池催化劑漿料的圖書專著幾乎沒有。本書主要圍繞質子交換膜燃料電池催化劑漿料展開闡述，可以填補目前市場上的空白。本書分為7章，第1章介紹質子交換膜燃料電池催化劑漿料的組成、特點和發展趨勢，第2章介紹催化劑漿料的分散，第3章闡述催化劑漿料內部組分間的相互作用，第4章介紹催化劑漿料的穩定性，第5章闡述催化劑漿料的建模方法，第6章介紹催化劑漿料的成膜技術及單電池性能研究，第7章介紹基於自制催化劑漿料的質子交換膜燃料電池電堆應用實例。
本書以催化劑漿料相關內容的基本理論為主，同時兼顧企業產品開發實際生產過程。本書以燃料電池催化劑漿料為主題，目標明確，內容通俗易懂，適合不同群體需求。本書適用的主要專業和相關專業包括能源、動力工程與工程熱物理、材料工程、車輛工程等。本書可供開展燃料電池研究的高校和科研院所的相關專業師生、研究人員作為教材，也可供相關企業研發人員參考。
本書由李冰、明平文和郭玉清擔任主編，楚天闊、劉鵬程、楊道增、陳海濤、康嘉倫、劉洋、張鵬飛、謝煜城等參與了編寫工作。
本書得到了河南豫氫動力有限公司的大力支持。在編寫過程中，還參閱了一些燃料電池相關教材、論文及專利，在此一並致謝。
質子交換膜燃料電池催化劑漿料研究工作任重道遠，希望本書拋磚引玉，為業界同人提供借鑒。由於水平所限，書中疏漏及不足之處懇請各位讀者批評指正。

編者
2023年8月

第1章 質子交換膜燃料電池催化劑漿料的組成、特點和發展趨勢
1.1 概述 001
1.1.1 燃料電池的研究現狀 001
1.1.2 燃料電池的發展簡史和分類 002
1.1.3 質子交換膜燃料電池的工作原理 003
1.1.4 質子交換膜燃料電池的催化層 005
1.1.5 質子交換膜燃料電池的催化劑漿料 005
1.2 質子交換膜燃料電池催化劑漿料的組成 007
1.2.1 載體 007
1.2.2 催化劑 011
1.2.3 離子聚合物 016
1.2.4 分散介質 018
1.3 質子交換膜燃料電池催化劑漿料的特點 019
1.3.1 I/C比 019
1.3.2 催化劑漿料的微觀結構 020
1.3.3 催化劑漿料的可加工性 021
1.4 質子交換膜燃料電池催化劑漿料的制備和應用發展趨勢 022
參考文獻 024

第2章 催化劑漿料的分散
2.1 催化劑漿料分散特性 030
2.1.1 催化劑漿料分散的需求 030
2.1.2 催化劑漿料分散制備存在的問題 032
2.2 顆粒的分散 034
2.2.1 顆粒分散過程 034
2.2.2 催化劑顆粒分散特徵 037
2.2.3 顆粒與流體之間的關係 038
2.2.4 顆粒在液相中的分散與調控 042
2.2.5 顆粒在液相中分散的主要影響因素 046
2.3 催化劑漿料分散制備方法 048
2.3.1 機械攪拌 048
2.3.2 超聲分散 050
2.3.3 球磨分散 053
參考文獻 055

第3章 催化劑漿料內部組分間的相互作用
3.1 離聚物的溶劑化作用 060
3.1.1 離聚物的性質 060
3.1.2 離聚物對溶劑的表面活性 062
3.1.3 離聚物的溶解 064
3.1.4 離聚物的解離 066
3.1.5 離聚物的濃度影響 069
3.2 溶劑與催化劑相互作用 071
3.2.1 溶劑與碳載體間的相互作用 071
3.2.2 溶劑對碳載體的潤濕行為 073
3.2.3 碳載體的結構形貌影響 073
3.2.4 溶劑與Pt金屬顆粒間的相互作用 075
3.3 離聚物與催化劑的相互作用 076
3.3.1 碳載體對離聚物的吸附作用 077
3.3.2 碳載體的比表面積影響 079
3.3.3 碳載體的石墨化程度影響 080
3.3.4 碳載體的表面官能團影響 081
3.3.5 鉑顆粒對離聚物的吸附作用 082
3.4 催化劑漿料各組分間的相互作用 083
3.4.1 離聚物在催化劑漿料中的行為 083
3.4.2 催化劑漿料中團簇顆粒凝聚行為 084
3.4.3 催化劑漿料的微觀結構 085
參考文獻 088

第4章 催化劑漿料的穩定性
4.1 漿料團簇的沉降過程 091
4.1.1 漿料團簇的沉降理論 091
4.1.2 漿料團簇的擴散 092
4.1.3 漿料團簇沉降-擴散平衡 094
4.2 漿料團簇的團聚 095
4.2.1 催化劑漿料團簇的遷移理論 095
4.2.2 漿料團簇間相互作用 106
4.2.3 漿料團簇的分形結構 115
4.3 漿料中新物質的產生及影響 120
4.3.1 新物質的產生 120
4.3.2 新物質對漿料穩定性的影響 121
4.4 漿料穩定性的調控 122
4.4.1 組分調控 122
4.4.2 添加劑調控 126
4.4.3 制備工藝調控 128
參考文獻 130

第5章 催化劑漿料的建模方法
5.1 密度泛函理論 136
5.1.1 基本理論 136
5.1.2 交換關聯近似與泛函 137
5.1.3 分子的構型優化 138
5.1.4 簇模型和周期平板模型 140
5.1.5 密度泛函理論的應用 141
5.2 格子玻爾茲曼法 142
5.2.1 格子玻爾茲曼法的基礎理論 142
5.2.2 格子玻爾茲曼法的作用力模型 144
5.2.3 格子玻爾茲曼法的初始和邊界條件 147
5.2.4 多相和多組分流體的格子玻爾茲曼法 150
5.2.5 格子玻爾茲曼法的應用 152
5.3 分子動力學模擬法 159
5.3.1 分子動力學模擬的基本理論 159
5.3.2 分子動力學模擬常用的分子力場 159
5.3.3 分子動力學模擬的技巧 161
5.3.4 分子動力學模擬的流程 166
5.3.5 分子動力學模擬法的應用 169
5.4 顆粒離散元法 171
5.4.1 顆粒離散元法基本原理 171
5.4.2 顆粒離散元法求解過程 172
5.4.3 顆粒離散元模擬方法特點 173
5.4.4 顆粒離散元法的應用 174
參考文獻 176

第6章 催化劑漿料的成膜技術及單電池性能研究
6.1 狹縫塗布 180
6.1.1 狹縫塗布簡介 180
6.1.2 狹縫塗布原理 181
6.1.3 狹縫塗布的影響因素 190
6.1.4 狹縫塗布制備催化劑塗敷膜 193
6.2 超聲噴塗 195
6.2.1 超聲噴塗簡介 195
6.2.2 超聲噴塗原理 196
6.2.3 超聲噴塗的影響因素 201
6.2.4 超聲噴塗制備催化劑塗敷膜 203
6.3 膜電極技術簡介 205
6.3.1 質子交換膜 206
6.3.2 催化層 206
6.3.3 擴散介質層 207
6.3.4 層間界面 209
6.3.5 邊框密封結構 210
6.4 單電池測試技術 217
6.4.1 燃料電池的極化原理與測試方法 217
6.4.2 電化學表征方法及實例 223
6.4.3 電化學隔離加速測試方法 226
6.4.4 動態隔離工況加速 226
參考文獻 234

第7章 基於資質催化劑漿料的質子交換膜燃料電池堆應用實例
7.1 燃料電池電堆技術簡介 238
7.1.1 電堆的組件與設計 238
7.1.2 電堆力學分析 241
7.1.3 電堆裝配流程與方法 246
7.2 千瓦級電堆基於乘用車NEDC 工況的耐久性驗證及衰減分析 254
7.2.1 電堆準備、測試條件及工況介紹 254
7.2.2 電堆性能衰減行為分析 255
7.2.3 電堆性能衰減機理分析 257
7.3 百千瓦級電堆耐久性驗證與應用 271
7.3.1 百千瓦級電堆基本性能測試 271
7.3.2 氫燃料電池重型載貨車工況耐久性驗證 273
7.3.3 氫燃料電池機車工況耐久性測試 275
7.3.4 氫燃料混合動力機車應用案例 276
參考文獻 277