1. 本書(shū)以燃料電池耐久性為主線(xiàn)，結合了筆者在大學(xué)從事多年基礎教學(xué)與參與國家新能源汽車(chē)、氫能重點(diǎn)專(zhuān)項的研究過(guò)程中的工程經(jīng)驗，兼顧了科研、教學(xué)與企業(yè)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程的需求。 2. 本書(shū)以揭示燃料電池的耐久性的衰退機制為目標，并提出解決思路和應對策略，內容通俗易懂，圖文并茂，適合不同群體需求，適用面廣。

在我國“雙碳”目標的強力驅動(dòng)下，政府眾多的激勵政策相繼出臺，氫能領(lǐng)域科技水平飛速發(fā)展，取得了長(cháng)足的進(jìn)步。質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）以氫氣為燃料，啟動(dòng)迅速、清潔高效。從全球范圍看，隨著(zhù)其發(fā)電性能的持續提升以及材料與制造成本的不斷下降，PEMFC 在交通和能源領(lǐng)域的商業(yè)化大門(mén)已經(jīng)開(kāi)啟。這體現在以下幾個(gè)方面：
1. 燃料電池性能提升，成本下降。電池堆（電堆）功率密度已突破4kW/L，成本已降至1000 元/kW 以下。
2. 燃料電池壽命進(jìn)步顯著(zhù)。石墨板電堆壽命可達4 萬(wàn)小時(shí)，金屬板電堆1 萬(wàn)小時(shí)壽命已非鮮見(jiàn)。
3. 加氫基礎設施不斷完善。加氫站數量不斷增多，已達2000 座以上，其中東亞的加氫站建設勢頭尤其迅猛。
4. 氫燃料成本下降，經(jīng)濟效益開(kāi)始顯現。我國利用風(fēng)、光和水等可再生能源發(fā)電領(lǐng)域的全球領(lǐng)先優(yōu)勢，不斷開(kāi)拓綠色制氫途徑，氫氣成本已逐級下降至市場(chǎng)可接受的水平。
近二十多年來(lái)在我國政府科技項目支持和科研人員的努力下，燃料電池堆的性能和壽命進(jìn)步顯著(zhù)，成本逐步下降；氫氣的“制-儲-輸-用”各環(huán)節技術(shù)成熟度不斷提升，降本之路逐漸打通，極大地促進(jìn)了燃料電池的發(fā)展。
我國氫能與燃料電池的發(fā)展，經(jīng)歷了“十五”和“十一五”（2003～ 2010 年）期間在科技部重大專(zhuān)項的支持和引領(lǐng)下，由同濟大學(xué)、清華大學(xué)分別領(lǐng)銜各整車(chē)廠(chǎng)開(kāi)發(fā)乘用和商用燃料電池汽車(chē)的熱潮；也經(jīng)歷了2008 年在美國金融危機的沖擊下燃料電池汽車(chē)開(kāi)發(fā)熱的退潮；更經(jīng)歷了我國純電動(dòng)汽車(chē)在“三縱三橫”戰略引領(lǐng)下從與燃料電池汽車(chē)并駕齊驅到實(shí)現百萬(wàn)產(chǎn)能、舉世矚目。與純電動(dòng)汽車(chē)相比，在大眾眼里的新能源汽車(chē)中，尚難覓燃料電池汽車(chē)的一席之地，在電站領(lǐng)域燃料電池的應用更是聊勝于無(wú)。這也是如今我國各級政府在“雙碳”目標的引領(lǐng)下，紛紛出臺產(chǎn)業(yè)和經(jīng)濟政策支持燃料電池發(fā)展的原因。
因此，盡管燃料電池的商業(yè)化已經(jīng)開(kāi)啟，但想要達到一定的市場(chǎng)滲透率，真正為市場(chǎng)所接受，并在國民經(jīng)濟中發(fā)揮較大的作用，還必須克服自身耐久性不足這一重要短板。而長(cháng)生命周期內的電堆耐久性，需要更先進(jìn)的科技與工程解決方案，這也是本書(shū)的寫(xiě)作目的。本書(shū)將從燃料電池發(fā)電的基礎熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)機制開(kāi)始，介紹電堆的結構與組成；然后介紹膜電極組件、雙極板、密封件和其他組件等關(guān)鍵材料和部件材料、結構、衰退機制與抑制策略；最后還針對電堆工作環(huán)境、水熱管理和運行工況等展開(kāi)分析，闡述外圍因素對電堆壽命的影響。
本書(shū)匯集了課題組在燃料電池耐久性及相關(guān)方面的多年研究成果，由楊代軍擔任主編，盧奕睿、明平文和李冰擔任副主編，劉鵬程、廖珮懿、冷宇、姚歡、賈林瀚、吳浩宇、屈同舟、徐勝楠、藍弋林、田一凡和姚偉濤參與了編寫(xiě)工作。同時(shí)，也對為本書(shū)做出貢獻的組內研究人員表示感謝。
本書(shū)的目的是希望給予燃料電池行業(yè)的學(xué)生、科研人員和工程技術(shù)人員關(guān)于燃料電池耐久性方面比較全面的指導，以促進(jìn)行業(yè)發(fā)展，早日走向成熟。

楊代軍，同濟大學(xué)汽車(chē)學(xué)院動(dòng)力機械及工程專(zhuān)業(yè)副教授，國家燃料電池及動(dòng)力系統工程技術(shù)研究中心燃料電池研究室主任，2007年起在同濟大學(xué)汽車(chē)學(xué)院歷任講師、副教授/博導，期間曾赴德國克勞斯塔爾工業(yè)大學(xué)訪(fǎng)學(xué)。主要研究方向為車(chē)用電化學(xué)電源，深耕氫能和燃料電池領(lǐng)域。

《質(zhì)子交換膜燃料電池原理及耐久性》主要匯集了同濟大學(xué)教研團隊多年的燃料電池教學(xué)和科研工作成果及最新進(jìn)展，特別總結了參與國家新能源汽車(chē)、氫能重點(diǎn)專(zhuān)項研究的工程經(jīng)驗。書(shū)中圍繞質(zhì)子交換膜燃料電池的耐久性展開(kāi)闡述， 介紹了燃料電池的分類(lèi)、發(fā)電原理，燃料電池耐久性現狀及目標等；闡述了質(zhì)子交換膜、催化層、氣體擴散層與雙極板等關(guān)鍵材料和部件的結構、衰退機制與抑制策略；分析了電堆運行條件下的耐久性并介紹了雜質(zhì)氣體對質(zhì)子交換膜燃料電池性能的影響。
《質(zhì)子交換膜燃料電池原理及耐久性》可供開(kāi)展燃料電池相關(guān)研究的高校和科研院所的師生、研究人員使用，也可供企業(yè)研發(fā)人員參考。

1概述
1.1燃料電池分類(lèi)001
1.2燃料電池發(fā)電原理002
1.3燃料電池熱力學(xué)005
1.3.1標準電極電勢與可逆電動(dòng)勢005
1.3.2燃料電池效率計算009
1.4電極反應動(dòng)力學(xué)012
1.5燃料電池堆結構與組成017
1.5.1電堆結構017
1.5.2電堆組成018
1.6燃料電池耐久性現狀及目標020
1.6.1美國能源部的目標020
1.6.2日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開(kāi)發(fā)機構的目標021
1.6.3歐盟燃料電池及氫能合作組織的目標025
1.6.4我國關(guān)于氫能與燃料電池的目標025
1.7小結028
參考文獻029

2質(zhì)子交換膜：化學(xué)和物理衰減
2.1質(zhì)子交換膜簡(jiǎn)介031
2.1.1質(zhì)子交換膜的基本要求031
2.1.2質(zhì)子交換膜國內外發(fā)展現狀032
2.2質(zhì)子交換膜結構及優(yōu)缺點(diǎn)034
2.2.1PEM的化學(xué)結構034
2.2.2均質(zhì)膜與復合膜優(yōu)缺點(diǎn)035
2.2.3膜電極組成036
2.2.4膜電極結構及功能037
2.2.5膜電極密封結構039
2.3PEM基本性能的評測方法041
2.3.1質(zhì)子電導率041
2.3.2氫滲電流042
2.3.3氟離子溶出042
2.4PEM的降解機理043
2.4.1熱降解043
2.4.2化學(xué)降解044
2.4.3機械降解045
2.5PEM降解的緩解方法045
2.5.1熱降解緩解方法045
2.5.2化學(xué)降解緩解方法046
2.5.3機械降解緩解方法046
2.6小結048
參考文獻048

3催化層：化學(xué)降解與結構破壞
3.1概述052
3.1.1催化劑的重要作用052
3.1.2催化層與催化劑的關(guān)系053
3.1.3高效MEA的開(kāi)發(fā)策略056
3.1.4催化劑發(fā)展現狀060
3.2漿料對性能和壽命的影響063
3.2.1催化劑漿料對催化層結構的影響063
3.2.2催化層結構與耐久性的關(guān)系066
3.3電堆活化與恢復方法073
3.3.1電堆活化與耐久性的關(guān)系073
3.3.2電堆恢復活化法介紹073
3.4活性金屬衰退與評價(jià)方法078
3.4.1Pt顆粒的團聚與長(cháng)大079
3.4.2Pt流失與再分布080
3.4.3Pt中毒080
3.4.4催化劑衰退的緩解方法081
3.4.5催化劑衰退的評價(jià)方法082
3.5載體衰退與評價(jià)方法084
3.5.1碳載體的衰退084
3.5.2載體衰退的緩解方法086
3.5.3載體衰退的評價(jià)方法087
3.6離聚物對PEMFC性能的影響及其衰退089
3.6.1離聚物對PEMFC性能的影響089
3.6.2離聚物的衰退機制090
3.7小結091
參考文獻091

4氣體擴散層：制造工藝及衰退機理
4.1概述102
4.1.1氣體擴散層的基本要求102
4.1.2氣體擴散層國內外研究現狀103
4.2氣體擴散層結構與材料及功能與特性104
4.2.1結構與材料104
4.2.2功能與特性106
4.2.3氣體擴散層與極板的相互作用109
4.3氣體擴散層制造方法110
4.3.1碳基材料制造方法110
4.3.2金屬基材料制造方法cm100111
4.3.3疏水處理112
4.4氣體擴散層的理化特性及表征方法113
4.4.1力學(xué)性能113
4.4.2導電性114
4.4.3導熱性115
4.4.4透氣率116
4.4.5孔隙率及孔徑分布116
4.4.6親疏水性117
4.5氣體擴散層的衰退機理117
4.5.1物理衰退118
4.5.2化學(xué)衰退120
4.6緩解氣體擴散層衰減的策略121
4.6.1優(yōu)化裝配壓力121
4.6.2MPL設計121
4.7小結122
參考文獻123

5雙極板與流場(chǎng)：成形方式與腐蝕失效分析
5.1雙極板的功能與性能要求129
5.2雙極板的流場(chǎng)設計131
5.3雙極板材料133
5.3.1石墨雙極板133
5.3.2復合雙極板134
5.3.3金屬雙極板134
5.4雙極板成形方式135
5.4.1石墨與復合雙極板成形方式135
5.4.2金屬雙極板成形方式136
5.5雙極板組對方式139
5.6衰退機理與抑制策略141
5.6.1衰退機理141
5.6.2提高金屬雙極板耐腐蝕性的策略143
5.7雙極板主要指標及評測方法144
5.7.1氣密性測試144
5.7.2抗彎強度測試145
5.7.3腐蝕電流測試145
5.7.4接觸電阻測試146
5.7.5接觸角測試147
5.8小結147
參考文獻148

6關(guān)鍵零部件對燃料電池堆耐久性的影響
6.1概述153
6.1.1密封件基本要求153
6.1.2燃料電池密封件國內外研究進(jìn)展154
6.2密封材料選型準則155
6.3PEMFC的密封結構156
6.3.1線(xiàn)密封結構157
6.3.2一體化密封結構157
6.4密封件材料評估方法158
6.4.1物理特性與參數158
6.4.2化學(xué)特性及表征162
6.5密封件加速評估方法166
6.5.1老化對比實(shí)驗166
6.5.2加權選型方法168
6.5.3工程應用前景169
6.6端板及其他電堆輔件170
6.6.1端板的作用170
6.6.2端板對耐久性的影響170
6.6.3其他電堆輔件對耐久性的影響173
6.7小結75
參考文獻176

7電堆運行條件下的耐久分析
7.1概述178
7.2燃料電池水熱管理180
7.2.1燃料電池中的兩相流180
7.2.2燃料電池水管理183
7.2.3燃料電池熱管理185
7.3電堆運行工況的衰退分析188
7.3.1高電勢引起的衰退188
7.3.2電勢循環(huán)與衰退189
7.3.3反極造成的衰退189
7.3.4啟/停機與氫/空界面190
7.3.5車(chē)用工況與衰減192
7.4電堆低溫冷啟動(dòng)策略197
7.4.1模型研究199
7.4.2實(shí)驗方法201
7.4.3工程應用202
7.5小結204
參考文獻205

8雜質(zhì)氣體對PEMFC性能的影響
8.1氫氣/空氣中的雜質(zhì)來(lái)源212
8.1.1傳統制氫技術(shù)213
8.1.2氫氣的提純工藝215
8.1.3新型制氫技術(shù)217
8.1.4大氣污染物來(lái)源分析218
8.1.5空氣污染物的去除方法220
8.2雜質(zhì)氣體影響的分析方法221
8.2.1水分分析方法222
8.2.2總烴及無(wú)機雜質(zhì)組分分析方法222
8.2.3總硫分析方法223
8.2.4氨分析方法223
8.2.5氯化氫分析方法223
8.2.6顆粒物分析方法223
8.2.7電化學(xué)測試分析方法223
8.2.8空氣/氫氣中雜質(zhì)對PEMFC性能影響的測試方法226
8.3氫氣雜質(zhì)對PEMFC的影響228
8.3.1CO對陽(yáng)極的影響228
8.3.2H2S對陽(yáng)極的影響233
8.3.3Cl2對陽(yáng)極的影響234
8.3.4NH3對陽(yáng)極的影響235
8.3.5CO2對陽(yáng)極的影響238
8.4空氣雜質(zhì)對PEMFC的影響239
8.4.1N2對陰極的影響240
8.4.2NOx對陰極的影響240
8.4.3SO2對陰極的影響243
8.4.4HxCy對陰極的影響246
8.4.5CO對陰極的影響246
8.4.6協(xié)同影響248
8.5緩解空氣雜質(zhì)對PEMFC影響的策略249
8.5.1空氣過(guò)濾器249
8.5.2高電勢氧化法258
8.5.3吹掃法260
8.5.4高溫質(zhì)子交換膜燃料電池(HT-PEMFC)261
8.6小結262
參考文獻263