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。

前?言第 1 章　 燃料电池概述11.1　什么是燃料电池？11.2　发展历史31.3　组成和原理51.4　分类和特点71.5　燃料电池系统9第 2 章　 燃料电池基础化学和热力学132.1　基本反应132.2　反应热132.3　氢气的高低热值142.4　理论电功152.5　理论电压162.6　温度的影响172.7　理论效率192.8　卡诺效率神话212.9　压力的影响222.10?总结24第 3 章　 燃料电池电化学263.1　电极动力学263.1.1　反应速率263.1.2　反应常数和传递系数273.1.3　电流电压关系：Butler-Volmer方程283.1.4　交换电流密度303.2　电压损失303.2.1　活化极化313.2.2　内电流和交叉损耗333.2.3　欧姆（电阻）极化353.2.4　浓差极化363.3　电池电压：极化曲线383.4　电池内部的电位分布403.5　极化曲线参数的灵敏度413.5.1　传递系数/塔费尔斜率的影响423.5.2　交换电流密度的影响433.5.3　氢交叉和内部电流损失的影响443.5.4　内阻的影响453.5.5　极限电流密度的影响453.5.6　工作压力的影响463.5.7　空气与氧气的影响473.5.8　工作温度的影响473.6　燃料电池效率483.7　燃料电池极化曲线的含义和应用503.7.1　极化曲线产生的其他曲线503.7.2　极化曲线的线性近似523.7.3　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574.1　电池内过程描述574.2　膜584.2.1　吸水量604.2.2　物理性质614.2.3　质子电导率624.2.4　水传输634.2.5　气体渗透664.2.6　高温膜694.3　电极694.4　气体扩散层734.4.1　处理和涂层744.4.2　孔隙率754.4.3　电导率764.4.4　可压缩性764.4.5　渗透性774.5　双极板774.5.1　材料784.5.2　特性79第5章　 燃料电池运行条件835.1　工作压力835.2　工作温度855.3　反应物流速875.4　反应物湿度915.5　质量平衡935.5.1　入口流量935.5.2　出口流量955.6　能量平衡97第6章　 PEM燃料电池性能计算方法996.1　模型假设1006.2　控制方程1006.2.1　质量守恒1006.2.2　动量守恒1016
.2.3　组分守恒1026.2.4　能量守恒1046.2.5　电荷守恒1046.2.6　电化学反应1056.3　几何建模1076.4　边界条件和参数设置1126.5　模型验证1136.6　操作使用1156.7　求解器结构1186.7.1　网格、物性和场1186.7.2　流体物质和关联的场1196.7.3　化学反应1196.7.4　全场ID1206.7.5　面到面插值1206.7.6　气体扩散模型1206.7.7　程序迭代循环120第7章　 PEM燃料电池组装力计算1227.1　气体扩散层变形1227.1.1　机械模型1237.1.2　孔隙率、电导率和传热系数1257.2　传质阻力1297.3　组装力对电池性能的影响131第8章　 PEM燃料电池内阻计算1348.1　内阻组成1348.2　膜电阻1358.3　双极板与气体扩散层的接触电阻1358.3.1　接触电阻数值模型1368.3.2　预测接触电阻1378.4　体电阻1388.4.1　电荷传输驱动力1388.4.2　体电阻数值模型1408.4.3　电荷传导1428.5　其他接触电阻1448.6　内阻对电池性能的影响145第9章　 燃料电池应用1479.1　汽车动力1489.1.1　乘用车1489.1.2　公共汽车1519.1.3　多功能车1519.1.4　应用现状1529.2　固定电源1549.2.1　固定式燃料电池系统分类1549.2.2　系统配置1569.2.3　应用现状1569.3　备用电源1589.4　小型便携式电源1599.5　船用动力1619.5.1　船舶1619.5.2　潜艇1639.6　航空航天1659.6.1　航空1659.6.2　航天166附?录　 主要符号170参考文献　176

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。