质子交换膜（proton exchange membrane, PEM）燃料电池是一种将氢能直接转换为电能的电化学发电装置，其内部存在多相多组分耦合的电化学反应、流动和传热等过程。通过数值方法探究其内部复杂的电化学和传热传质过程，是一种比实验途径更高效、更快捷、成本更低的流体动力学方法，可以指导提升电池的性能、耐久性和寿命。
本书简述了燃料电池的原理、分类和特点，基础化学和热力学，电化学，关键材料的物理特性参数，电池的运行条件和数值计算方法，基于OpenFOAM平台燃料电池数值模型的结构、操作使用和验证，以及电池组装条件下的组装力、内阻、物质传输和性能计算。全书的重点是PEM燃料电池的基础原理和性能计算方法。最后从燃料电池技术特点的角度，分析了燃料电池在汽车动力、各式电源、船用动力、航空航天等领域的应用和技术现状，并且指明了各个领域需要解决的问题。
本书适于从事PEM燃料电池研究和应用的科技工作者阅读，也可供高等院校相关专业师生参考。
1.本书从什么是燃料电池讲起，介绍了相关的发展历史、基本原理和燃料电池分类；之后沿着燃料电池基础化学和热力学、电化学、效率、组件材料、运行条件的思路，从数值的角度详细介绍了如何运用公式描述燃料电池的催化反应、热力学过程、运行性能等一系列过程，由此引入运用这些方程如何操作和仿真计算质子交换膜燃料电池的性能，包括数值建模、流场设计、性能优化等；最后总结归纳了质子交换膜燃料电池在汽车、固定电源、便携式电源、军事等领域的应用和技术现状，并指明了各个领域需要解决的问题。本书对PEM燃料电池基础知识和性能计算方法做了系统性的介绍，部分内容用图表或方程式进行说明，简洁明了，通俗易懂。
2. 本书的作者拥有完整的质子交换膜燃料电池技术研发经验，具备超10年的流动动力学知识使用经验和电池电化学相关的研究历史，曾经参与过质子交换膜燃料电池相关的国家标准的制定，有能力支撑本书的研究工作，可以为研究成果的水平与质量提供保证。
3.本书适于从事PEM燃料电池研究与工程开发的科技工作者阅读，也可作为高年级本科生、研究生的教学参考书。
进入21世纪，传统化石能源的大量工业化应用已给全球造成严重的全球环境污染问题，改善环境已成为人类健康发展的迫切任务。另一方面，不可再生化石能源的全球储量日趋减少，面临枯竭殆尽的危险。因此，开发多样化、清洁的能源并减少环境污染已成为未来能源发展和整个人类社会可持续发展的必然趋势。
质子交换膜（proton exchange membrane，PEM）燃料电池是一种将氢能直接转换为电能的电化学发电装置，与内燃机卡诺循环热效率35%的限制相比，PEM燃料电池的理论综合效率可达到80%以上，具有能量转换效率高、环境友好、工作温度低、启停响应快等诸多优点。在全世界碳达峰碳中和的双碳目标下，PEM燃料电池技术被认为是一种可以替代传统蓄电池和内燃机的潜在重要技术之一,未来可广泛应用于汽车动力、分布式发电、无人机及军事等应用领域。
虽然PEM燃料电池有诸多优势和广泛的应用前景，但目前此技术依然没有全面商业化并广泛应用于人们的生活，因为此技术正面临性能、成本及寿命等方面亟待解决的瓶颈问题。本书的核心内容PEM燃料电池基础与性能计算，就是为了解决这些瓶颈问题而开展的相关工作。本书对PEM燃料电池基础知识和性能计算方法做了系统性的介绍，部分内容用图表或方程式进行说明，简洁明了，通俗易懂。
本书分为9章，第1章简要介绍了燃料电池的组成、原理、分类与特点、电池系统。第2 ~ 5章介绍了基础化学与热力学、电化学、关键材料的物理特性参数、电池运行条件，多以数学公式和图表阐述，作为深入了解PEM燃料电池原理的基础，有助于读者定性计算和分析电池的性能。第6 ~ 8章介绍了PEM燃料电池性能计算公式与方法、组装力和内阻计算与结果分析，基于OpenFOAM平台PEM燃料电池求解器的结构、使用方法、参数设置与模型验证等，有助于读者深入理解电池基础知识，以及将性能计算方法应用于实际电池的设计与开发过程中。第9章总结了燃料电池在民用、军工等领域的应用和技术现状, 包括汽车动力、固定电源、备用电源、小型便携式电源、船用动力和航空航天等领域，帮助读者了解此清洁发电技术的总体应用前景。
本书适于从事PEM燃料电池研究与工程开发的科技工作者阅读，也可作为高年级本科生、研究生的教学参考书。
本书由三位作者共同撰写初稿、校阅相关章节及引用的文献，并绘制了大量图表。其中，第1 ~ 8章由中国地质大学（武汉）王家堂编写，第9章由航天工程大学仝毅恒编写，附录、参考文献、部分插图由中国地质大学（武汉）蔡卫卫编写和绘制，仝毅恒还参与了第1~7章部分数值方程的编写和指导，王家堂负责全书统稿和审定工作。作者衷心感谢为本书撰写做出贡献和提出宝贵建议的同事们。
由于作者水平有限，书中难免有不当之处，望广大读者指正。
王家堂
2022年10月
前?言
第 1 章 燃料电池概述1
1.1 什么是燃料电池？1
1.2 发展历史3
1.3 组成和原理5
1.4 分类和特点7
1.5 燃料电池系统9
第 2 章 燃料电池基础化学和热力学13
2.1 基本反应13
2.2 反应热13
2.3 氢气的高低热值14
2.4 理论电功15
2.5 理论电压16
2.6 温度的影响17
2.7 理论效率19
2.8 卡诺效率神话21
2.9 压力的影响22
2.10?总结24
第 3 章 燃料电池电化学26
3.1 电极动力学26
3.1.1 反应速率26
3.1.2 反应常数和传递系数27
3.1.3 电流电压关系：Butler-Volmer方程28
3.1.4 交换电流密度30
3.2 电压损失30
3.2.1 活化极化31
3.2.2 内电流和交叉损耗33
3.2.3 欧姆（电阻）极化35
3.2.4 浓差极化36
3.3 电池电压：极化曲线38
3.4 电池内部的电位分布40
3.5 极化曲线参数的灵敏度41
3.5.1 传递系数/塔费尔斜率的影响42
3.5.2 交换电流密度的影响43
3.5.3 氢交叉和内部电流损失的影响44
3.5.4 内阻的影响45
3.5.5 极限电流密度的影响45
3.5.6 工作压力的影响46
3.5.7 空气与氧气的影响47
3.5.8 工作温度的影响47
3.6 燃料电池效率48
3.7 燃料电池极化曲线的含义和应用50
3.7.1 极化曲线产生的其他曲线50
3.7.2 极化曲线的线性近似52
3.7.3 应用极化曲线确定燃料电池尺寸53
第4章 燃料电池材料物性数学描述57
4.1 电池内过程描述57
4.2 膜58
4.2.1 吸水量60
4.2.2 物理性质61
4.2.3 质子电导率62
4.2.4 水传输63
4.2.5 气体渗透66
4.2.6 高温膜69
4.3 电极69
4.4 气体扩散层73
4.4.1 处理和涂层74
4.4.2 孔隙率75
4.4.3 电导率76
4.4.4 可压缩性76
4.4.5 渗透性77
4.5 双极板77
4.5.1 材料78
4.5.2 特性79
第5章 燃料电池运行条件83
5.1 工作压力83
5.2 工作温度85
5.3 反应物流速87
5.4 反应物湿度91
5.5 质量平衡93
5.5.1 入口流量93
5.5.2 出口流量95
5.6 能量平衡97
第6章 PEM燃料电池性能计算方法99
6.1 模型假设100
6.2 控制方程100
6.2.1 质量守恒100
6.2.2 动量守恒101
6.2.3 组分守恒102
6.2.4 能量守恒104
6.2.5 电荷守恒104
6.2.6 电化学反应105
6.3 几何建模107
6.4 边界条件和参数设置112
6.5 模型验证113
6.6 操作使用115
6.7 求解器结构118
6.7.1 网格、物性和场118
6.7.2 流体物质和关联的场119
6.7.3 化学反应119
6.7.4 全场ID120
6.7.5 面到面插值120
6.7.6 气体扩散模型120
6.7.7 程序迭代循环120
第7章 PEM燃料电池组装力计算122
7.1 气体扩散层变形122
7.1.1 机械模型123
7.1.2 孔隙率、电导率和传热系数125
7.2 传质阻力129
7.3 组装力对电池性能的影响131
第8章 PEM燃料电池内阻计算134
8.1 内阻组成134
8.2 膜电阻135
8.3 双极板与气体扩散层的接触电阻135
8.3.1 接触电阻数值模型136
8.3.2 预测接触电阻137
8.4 体电阻138
8.4.1 电荷传输驱动力138
8.4.2 体电阻数值模型140
8.4.3 电荷传导142
8.5 其他接触电阻144
8.6 内阻对电池性能的影响145
第9章 燃料电池应用147
9.1 汽车动力148
9.1.1 乘用车148
9.1.2 公共汽车151
9.1.3 多功能车151
9.1.4 应用现状152
9.2 固定电源154
9.2.1 固定式燃料电池系统分类154
9.2.2 系统配置156
9.2.3 应用现状156
9.3 备用电源158
9.4 小型便携式电源159
9.5 船用动力161
9.5.1 船舶161
9.5.2 潜艇163
9.6 航空航天165
9.6.1 航空165
9.6.2 航天166
附?录 主要符号170
参考文献 176
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