绪论 1
第1章 基本概念 11
1.1燃料电池的原理和基本布局 11
1.1.1燃料电池的自然界蓝图 11
1.1.2电动势 11
1.1.3单节电池的基本构造 13
1.2燃料电池热力学 14
1.3物质传输过程 18
1.3.1传输过程综述 18
1.3.2流道中的空气流动 18
1.3.3气体扩散层和催化层中的传输 20
1.4电位 21
1.5热产生和传输 25
1.5.1阴极催化层中的热产生 25
1.5.2膜中热产生 26
1.5.3水蒸气 26
1.5.4热传导方程 27
1.6燃料电池的催化作用简介 28
1.6.1电化学催化基本概念 29
1.6.2电化学动力学 29
1.7聚合物电解质燃料电池中的关键材料：聚合物电解质膜 33
1.7.1膜的研究 33
1.7.2基础结构图 34
1.7.3谁是质子最好的朋友？ 34
1.7.4质子和水的耦合传输 35
1.8聚合物电解质燃料电池关键材料：多孔复合电极 36
1.8.1催化层形貌 37
1.8.2 Pt的困境 39
1.8.3催化层设计 40
1.9Ⅰ型电极的性能 42
1.9.1理想电极的运行 42
1.9.2电极运行规则 43
1.9.3性能模型是什么？ 46
1.10燃料电池模型的空间尺度 47
第2章 聚合物电解质膜 49
2.1简介 49
2.1.1聚合物电解质膜的结构和运行的基本原理 49
2.1.2导电能力评估 50
2.1.3 PEM电导率：仅仅是组成的一个函数？ 50
2.1.4理解PEM结构和性能的挑战 53
2.2聚合物电解质膜的状态 54
2.2.1 PEM的化学结构和设计 54
2.2.2水的作用 55
2.2.3膜的结构：实验研究 57
2.2.4膜的形貌：结构模型 59
2.2.5 PEM中水和质子的动力学性质 61
2.3 PEM结构形成理论和模型 63
2.3.1带电聚合物在溶液中的聚集现象 63
2.3.2 PEM自组装的分子模型 67
2.3.3粗粒度的分子动力学模拟 71
2.4膜的水吸附和溶胀 77
2.4.1 PEM中的水：分类体系 77
2.4.2水吸附现象 78
2.4.3水吸附模型 79
2.4.4毛细冷凝作用 79
2.4.5单孔内水吸收平衡 80
2.4.6水吸附和溶胀的宏观效应 86
2.4.7水吸附模型的优点和限制 92
2.5质子传输 93
2.5.1水中的质子传输 94
2.5.2表面质子传输：为何麻烦？ 96
2.5.3生物学和单体中的表面质子传输 97
2.5.4模拟表面质子传输：理论和计算 98
2.5.5单孔内质子传输的模拟 100
2.5.6界面质子动力学的原位算法 102
2.5.7膜电导率的随机网络模型 111
2.5.8电渗系数 113
2.6结束语 115
2.6.1自组装的相分离膜形态学 115
2.6.2外界条件下的水吸附和溶胀 116
2.6.3水的结构和分布 116
2.6.4质子和水的传输机制 116
第3章 催化层结构与运行 117
3.1质子交换膜燃料电池的能量来源 117
3.1.1催化层结构与性能的基本原理 117
3.1.2催化层中结构与功能的形成 119
3.1.3本章的概述和目标 122
3.2多孔电极的理论与建模 123
3.2.1多孔电极理论简史 123
3.2.2误解与存在争议的问题 125
3.3如何评估CCL的结构设计？ 126
3.3.1粒子半径分布的统计结果 126
3.3.2 Pt利用率的实验评估方法 127
3.3.3催化活性 128
3.3.4基于原子的Pt纳米粒子利用率因子 129
3.3.5统计利用率因子 129
3.3.6非均匀反应速率分布：效率因子 131
3.3.7氧消耗过程中的效率因子：一个简单的例子 132
3.4理论和模型中的最高水平：多尺度耦合 133
3.5燃料电池催化剂的纳米尺度现象 135
3.5.1粒子尺寸效应 135
3.5.2 Pt纳米粒子的内聚能 136
3.5.3电化学氧化中COad的活性和非活性位点 139
3.5.4 Pt纳米颗粒氧化产物的表面多向性 143
3.6 Pt氧还原反应的电催化 146
3.6.1 Sabatier-Volcano原理 146
3.6.2实验观察 148
3.6.3 Pt氧化物形成和还原 149
3.6.4 ORR反应的相关机制 151
3.6.5 ORR反应的自由能 154
3.6.6解密ORR反应 155
3.6.7关键的说明 157
3.7水填充纳米孔洞的ORR反应：静电效应 158
3.7.1无离聚物的超薄催化层 158
3.7.2具有带电金属内壁的充水孔洞模型 161
3.7.3控制方程与边界条件 162
3.7.4求解稳态模型 164
3.7.5界面的充电行为 165
3.7.6电位相关的静电效应 166
3.7.7纳米孔洞模型的评价 169
3.7.8纳米质子燃料电池：一种新的设计规则？ 172
3.8催化层的结构形式及其有效性质 172
3.8.1分子动力学模拟 174
3.8.2 CLs原子尺度的MD模拟 174
3.8.3催化层溶液中自组装结构的中等尺度模型 175
3.8.4粗粒度模型中力场的参数化 177
3.8.5计算细节 179
3.8.6微观结构分析 179
3.8.7 CLs中微观结构的形成 180
3.8.8重新定义催化层中的离聚物结构 182
3.8.9催化层中自组装现象：结论 185
3.9传统CCL的结构模型和有效属性 185
3.9.1催化层结构的实验研究 186
3.9.2渗透理论的关键概念 188
3.9.3渗透理论在催化层性能中的应用 190
3.9.4交换电流密度 192
3.10结束语 193
第4章 催化层性能模拟 195
4.1催化层性能模型的基本构架 196
4.1.1催化层催化性能模型 196
4.1.2催化层的水：初步准备 197
4.2阴极催化层迁移和反应模型 198
4.3 CCL运算标准模型 199
4.3.1具有恒定性能的宏观均匀理论模型 202
4.3.2过渡区域：两种极限情况 205
4.3.3 MHM模型结构优化 206
4.3.4催化层中的水：水含量阈值 207
4.3.5 CCL分级模型 211
4.4恒定系数的MHM：解析解 214
4.5理想情况下的质子转移过程 217
4.5.1方程的简化及解答 217
4.5.2低槽电流值（ζ0《1） 219
4.5.3高槽电流情况（ζ0《1） 220
4.5.4过渡区域 222
4.6氧气扩散的理想状态 222
4.6.1约化方程组和运动积分 222
4.6.2对于ε*《1和ε2*～j2 0《1的情况 223
4.6.3 ε2*～j2 0参数值较大的情况 224
4.6.4极化曲线的另一种简化形式 228
4.6.5反应渗透深度 230
4.7弱氧扩散极限 230
4.7.1通过平面形状 230
4.7.2极化曲线 232
4.7.3 γ的表达式 233
4.7.4什么时候氧气扩散引起的电位降可以忽略不计？ 234
4.8氧气扩散引起的电位损失从较小到中等程度的极化曲线 234
4.9 4.4～4.7节备注 237
4.10直接甲醇燃料电池 238
4.10.1 DMFC中的阴极催化层 238
4.10.2 DMFC的阳极催化层 248
4.11催化层的优化 257
4.11.1引言 257
4.11.2模型 257
4.11.3担载量优化 260
4.12催化层的热通量 263
4.12.1引言 263
4.12.2基本方程 264
4.12.3低电流密度区域 265
4.12.4高电流密度区域 265
4.12.5热通量的一般方程 266
4.12.6备注 267
第5章 应用 268
5.1应用章节介绍 268
5.2燃料电池模型中的聚合物电解质薄膜 269
5.3 PEM中水的动态吸附及流体分布 269
5.3.1膜电极中水的传质 269
5.3.2 PEM中水渗透作用的实验研究 270
5.3.3 PEM中水流的非原位模型 272
5.4燃料电池模型中膜的性能 279
5.4.1理想条件下膜的运行性能 279
5.4.2 PEM运行的宏观模型：一般概念了解 279
5.4.3水渗透模型的结果 281
5.4.4扩散与水渗透的比较 282
5.4.5膜中水分布和水流 283
5.4.6总结：PEM的运行 283
5.5燃料电池的性能模型 284
5.5. 1介绍 284
5.5.2 GDL中氧气的传质损失 285
5.5.3流道中氧气传质导致的电压损失 286
5.5.4极化曲线拟合 292
5.6催化层阻抗的物理模型 294
5.6.1引言 294
5.6.2 RC并联电路的阻抗 294
5.6.3 CCL的阻抗 296
5.6.4混合的质子和氧气传质极限 306
5.6.5 DMFC阴极的阻抗 307
5.7 PEM燃料电池阴极的阻抗 313
5.7.1模型假设 313
5.7.2阴极催化层的阻抗 314
5.7.3 GDL内的氧气传质 315
5.7.4流道内的氧气传质 316
5.7.5数值解和阻抗 317
5.7.6局域谱图和总谱图 317
5.7.7恒定的化学计量比与恒定的氧气流 320
5.8燃料分布不均导致的碳腐蚀 324
5.8.1 PEFCs中氢气耗竭导致的碳腐蚀 324
5.8.2 DMFC中由于甲醇耗尽导致的碳和Ru的腐蚀 332
5.9 PEM燃料电池阳极的盲点 337
5.9.1模型 337
5.9.2电流双电层 340
参考文献 344
缩略语 380
命名 382