译者序 高温聚合物电解质膜燃料电池结合了磷酸燃料电池工作温度高以及聚合物电解质膜柔韧韧性好的优点，且可与甲醇等液体燃料现场重整制氢联用，在离网发电以及家庭热电联供等场景具有良好的应用潜力。原著是目前针对高温聚合物电解质膜燃料电池论述最全面的专业书籍，对高温聚合物电解质膜燃料电池的材料、器件、系统控制以及应用进行了深入分析与阐述，是四位主编和众多作者花费大量心血完成的。书中还包含大量的膜电极、电堆以及系统的实物照片以及性能图，为刚进入高温聚合物电解质膜燃料电池领域的科学家和工程师提供了大量可视化信息，是国内相关领域研究人员和研究生非常急需的，这正是译者翻译本书并推荐给读者的初心所在。 本书从高温聚合物电解质膜的酸碱化学原理及其发展历程开始介绍，随后详细讲解了高温聚合物电解质膜燃料电池膜电极关键材料的合成、改性、表征与仿真，最后系统讲述了电堆及系统的组装、控制诊断与应用。本书所涉领域颇广，译者翻译花费时间颇多，对许多句子反复斟酌，以期能准确表达原作者的意思。翻译过程中，本人在查阅了书中部分原始文献后，对书中的错误公式进行了校正，并以脚注的形式呈现。另外，对书中出现的多数研究者的人名保留了英文写法。 感谢装备科技译著出版基金对本书出版的资助，感谢北京市科技新星计划的资助，感谢官建、董畅、罗来明和李文同学对翻译初稿提出的宝贵意见。同时，也感谢在翻译过程中家人给予的理解与支持。 由于本人水平有限，书中可能存在疏漏与不足，欢迎读者提出宝贵修改意见。 张劲 2024 年 8 月于北京
高温聚合物电解质膜燃料电池目录
序曲 磷酸掺杂聚苯并咪唑膜的早期历史
第 1 章 绪论
第 2 章 磺酸膜的改性
2.1 概述
2.2 无机填料复合膜
2.2.1 直接甲醇燃料电池用全氟磺酸复合膜
2.2.2 直接甲醇燃料电池用碳氢复合膜
2.2.3 直接甲醇燃料电池用短侧链全氟磺酸膜
2.3 直接乙醇燃料电池用全氟磺酸复合膜
2.4 用于高温聚合物电解质膜水电解的复合及改性全氟磺酸膜
2.4.1 聚合物电解质膜水电解的基本概念
2.4.2 高温聚合物电解质膜水电解
2.4.3 聚合物电解质膜水电解用短侧链膜
2.5 短侧链全氟磺酸膜
2.6 总结与展望
参考文献
第 3 章 酸碱化学与质子电导率
3.1 概述
3.2 酸碱化学热力学
3.3 氢键
3.3.1 氢键与 pK?校准
3.3.2 羧酸和 N - 碱体系的质子传递度
3.4 质子液体与固体的离子性
3.4.1 质子型离子液体
3.4.2 质子型固体晶体
3.4.3 ¹H NMR 化学位移
3.5 瓦尔登 (Walden) 规则和跳跃 (Grotthuss) 机理
3.6 酸碱聚合物膜
3.6.1 酸掺杂碱性聚合物膜
3.6.2 碱掺杂酸性聚合物膜
3.6.3 酸性聚合物 - 碱性聚合物复合膜
3.6.4 磷酸掺杂全氟磺酸膜的失效
3.7 无机固体酸中的酸碱作用
3.8 总结与展望
参考文献
第 4 章 酸碱复合概念在高温膜中的应用
4.1 概述
4.2 酸碱复合概念的最新应用
4.3 不同类型聚苯并咪唑膜的稳定性与性质比较研究
4.3.1 复合膜的热稳定性
4.3.2 浸于 90℃热 DMAc 中的交联度 / 不溶物含量
4.3.3 磷酸掺杂聚合物膜的质子电导率
4.4 总结与展望
参考文献
第 5 章 吡啶基芳环聚醚膜
5.1 概述
5.2 线性吡啶基芳环聚醚的合成
5.3 吡啶基芳环聚醚的侧链基团功能化
5.4 吡啶基芳环聚醚的交联
5.5 聚合物膜中磷酸与水的相互作用
5.5.1 磷酸掺杂聚合物膜的饱和吸水量
5.5.2 聚合物膜的水蒸气渗透性
5.6 在高达 220℃的 HT-PEMFC 中的应用
5.6.1 线性聚合物膜
5.6.2 交联聚合物膜
5.7 总结与展望
参考文献
第 6 章 聚苯并咪唑膜表征技术
6.1 概述
6.2 聚苯并咪唑膜的分子量
6.2.1 定义
6.2.2 黏度
6.2.3 尺寸排阻色谱法
6.3 水与磷酸的吸收量
6.3.1 纯聚苯并咪唑膜的吸水量
6.3.2 磷酸吸酸量
6.3.3 体积变化率
6.4 电导率
6.4.1 定义与公式
6.4.2 电导率测试池
6.4.3 温度效应与活化能
6.5 溶解性与凝胶含量
6.5.1 溶解性
6.5.2 聚苯并咪唑溶液的过滤
6.5.3 凝胶含量
6.6 力学性能
6.6.1 拉伸与应变
6.6.2 拉伸测试
6.6.3 压印、压缩与蠕变
6.6.4 动态力学分析
6.7 渗透性、甲醇渗透与电渗拖拽
6.7.1 气体渗透性
6.7.2 氢气渗透性的电化学溶出法测试
6.7.3 甲醇渗透
6.7.4 水的电渗拖拽
6.8 热稳定性与氧化稳定性
6.8.1 热稳定性
6.8.2 芬顿试剂氧化稳定性测试
6.9 湿度的定义与控制
6.9.1 水饱和蒸气压、相对湿度与露点
6.9.2 水含量的控制
参考文献
第 7 章 聚苯并咪唑的合成
7.1 概述
7.2 聚苯并咪唑膜合成方法
7.2.1 无溶剂合成法
7.2.2 均相溶液聚合
7.3 微波辅助合成
7.4 聚苯并咪唑膜的表征
7.4.1 黏度
7.4.2 结构识别
7.4.3 在有机溶剂中的溶解性
7.5 聚苯并咪唑变异体的设计与合成
7.5.1 主链改性
7.5.2 基于聚苯并咪唑嵌段的共聚物
7.5.3 N 取代的侧链接枝
7.6 总结与展望
参考文献
第 8 章 磷酸及其与聚苯并咪唑类聚合物之间的相互作用
8.1 概述
8.2 磷酸的基本性质
8.2.1 磷酸酐
8.2.2 正磷酸的酸度与质子解离平衡
8.2.3 多聚磷酸物质间的平衡
8.3 磷酸的基本物理性质
8.3.1 磷酸在 25~175℃的蒸气压
8.3.2 磷酸在 0~170℃的质子电导率
8.3.3 磷酸水溶液在 23~170℃的动态黏度
8.3.4 离子传递的非阿伦尼乌斯行为
8.4 磷酸与聚苯并咪唑之间的相互作用
8.4.1 离子化碱性聚合物对质子电解液的吸收模型
8.4.2 聚苯并咪唑类聚合物的掺杂行为实验研究
8.5 总结与展望
8.5.1 磷酸本体相
8.5.2 聚苯并咪唑类聚合物膜与质子电解质
参考文献
第 9 章 采用酸浸泡方式掺杂的聚苯并咪唑膜
9.1 概述
9.2 膜的制备
9.2.1 溶剂
9.2.2 膜的流延制备
9.2.3 溶剂的去除
9.2.4 掺杂
9.3 结构与形貌
9.3.1 宏观结构特征
9.3.2 微观形貌
9.4 稳定性与力学强度
9.4.1 化学稳定性与热稳定性
9.4.2 机械强度
9.5 电化学与传输特性
9.5.1 电导率
9.5.2 电渗拖拽
9.5.3 气体的溶解度、扩散系数和渗透系数
9.6 复合膜体系和聚合物改性与共混
9.6.1 复合膜体系
9.6.2 聚合物改性与共混
9.7 燃料电池输出性能与稳定性
参考文献
第 10 章 基于多聚磷酸的聚苯并咪唑膜
10.1 概述
10.2 溶胶 - 凝胶法
10.3 直接酸掺杂
10.4 电导率与酸掺杂量
10.5 不同类型的聚苯并咪唑
10.5.1 对位聚苯并咪唑
10.5.2 磺化聚苯并咪唑
10.5.3 ABPBI 和其同分异构体
10.5.4 吡啶基聚苯并咪唑
10.5.5 mPBI
10.5.6 二羟基聚苯并咪唑
10.6 多聚磷酸法制备的共聚物
10.6.1 磺化间位聚苯并咪唑
10.6.2 聚 (2,5) 苯并咪唑 - 间位聚苯并咪唑嵌段共聚物
10.6.3 二羟基间位聚苯并咪唑
10.7 膜电极与燃料电池测试
10.8 总结与展望
参考文献
第 11 章 碱性增强的聚苯并咪唑膜：一种增强膜稳定性的化学方法
11.1 自由磷酸的流失与膜的永久质子电导率
11.2 包含其他碱性杂环的新型苯并咪唑单体
11.3 碱性基团功能化的二氧化硅 / 聚苯并咪唑复合膜
11.4 总结与展望
参考文献
第 12 章 聚苯并咪唑 / 多孔聚四氟乙烯复合膜
12.1 增强 Nafion 膜
12.2 多孔聚四氟乙烯对聚苯并咪唑的增强
12.2.1 概述
12.2.2 聚苯并咪唑溶液的性质
12.2.3 聚苯并咪唑 / 多孔聚四氟乙烯复合膜的制备与表征
12.2.4 PBI / 多孔 PTFE 复合膜的应用
12.3 其他的增强型聚合物复合膜
12.3.1 交联的聚苯并咪唑 - 聚苯并噁嗪电纺纳米纤维
12.3.2 多孔聚四氟乙烯增强的其他聚电解质
12.4 总结与展望
参考文献
第 13 章 基于聚苯并咪唑的复合膜
13.1 概述
13.2 聚苯并咪唑 / 亲水性氧化物复合膜
13.2.1 概述
13.2.2 聚苯并咪唑 / 亲水性氧化物复合膜的制备
13.2.3 物理化学性质表征
13.2.4 质子电导率
13.2.5 燃料电池性能
13.3 聚苯并咪唑 / 固体酸或盐复合膜
13.3.1 概述
13.3.2 无机材料的制备
13.3.3 物理化学表征
13.3.4 质子电导率
13.3.5 燃料电池性能
13.4 聚苯并咪唑 / 离子液体复合膜
13.4.1 概述
13.4.2 膜的制备
13.4.3 物理化学表征
13.4.4 质子电导率
13.4.5 燃料电池性能
13.5 聚苯并咪唑 / 碳材料复合膜
13.5.1 基于碳纳米管的复合膜
13.5.2 基于石墨烯的复合膜
13.6 总结与展望
参考文献
第 14 章 高温聚合物电解质膜燃料电池的催化剂与催化层
14.1 概述
14.2 催化剂与催化层表征
14.3 启 / 停状态下碳腐蚀的缓解
14.4 碳载体与合金催化剂
14.5 总结与展望
附录 MEA 相关参数和简写
参考文献
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