前?言
第 1 章 燃料電池概述1
1.1什麼是燃料電池？1
1.2發展歷史3
1.3組成和原理5
1.4分類和特點7
1.5燃料電池繫統9
第 2 章 燃料電池基礎化學和熱力學13
2.1基本反應13
2.2反應熱13
2.3氫氣的高低熱值14
2.4理論電功15
2.5理論電壓16
2.6溫度的影響17
2.7理論效率19
2.8卡諾效率神話21
2.9壓力的影響22
2.10?總結24
第 3 章 燃料電池電化學26
3.1電極動力學26
3.1.1反應速率26
3.1.2反應常數和傳遞繫數27
3.1.3電流電壓關繫：Butler-Volmer方程28
3.1.4交換電流密度30
3.2電壓損失30
3.2.1活化極化31
3.2.2內電流和交叉損耗33
3.2.3歐姆（電阻）極化35
3.2.4濃差極化36
3.3電池電壓：極化曲線38
3.4電池內部的電位分布40
3.5極化曲線參數的靈敏度41
3.5.1傳遞繫數/塔費爾斜率的影響42
3.5.2交換電流密度的影響43
3.5.3氫交叉和內部電流損失的影響44
3.5.4內阻的影響45
3.5.5極限電流密度的影響45
3.5.6工作壓力的影響46
3.5.7空氣與氧氣的影響47
3.5.8工作溫度的影響47
3.6燃料電池效率48
3.7燃料電池極化曲線的含義和應用50
3.7.1極化曲線產生的其他曲線50
3.7.2極化曲線的線性近似52
3.7.3應用極化曲線確定燃料電池尺寸53
第4章 燃料電池材料物性數學描述57
4.1電池內過程描述57
4.2膜58
4.2.1吸水量60
4.2.2物理性質61
4.2.3質子電導率62
4.2.4水傳輸63
4.2.5氣體滲透66
4.2.6高溫膜69
4.3電極69
4.4氣體擴散層73
4.4.1處理和塗層74
4.4.2孔隙率75
4.4.3電導率76
4.4.4可壓縮性76
4.4.5滲透性77
4.5雙極板77
4.5.1材料78
4.5.2特性79
第5章 燃料電池運行條件83
5.1工作壓力83
5.2工作溫度85
5.3反應物流速87
5.4反應物濕度91
5.5質量平衡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燃料電池性能計算方法99
6.1模型假設100
6.2控制方程100
6.2.1質量守恆100
6.2.2動量守恆101
6.2.3組分守恆102
6.2.4能量守恆104
6.2.5電荷守恆104
6.2.6電化學反應105
6.3幾何建模107
6.4邊界條件和參數設置112
6.5模型驗證113
6.6操作使用115
6.7求解器結構118
6.7.1網格、物性和場118
6.7.2流體物質和關聯的場119
6.7.3化學反應119
6.7.4全場ID120
6.7.5面到面插值120
6.7.6氣體擴散模型120
6.7.7程序迭代循環120
第7章 PEM燃料電池組裝力計算122
7.1氣體擴散層變形122
7.1.1機械模型123
7.1.2孔隙率、電導率和傳熱繫數125
7.2傳質阻力129
7.3組裝力對電池性能的影響131
第8章 PEM燃料電池內阻計算134
8.1內阻組成134
8.2膜電阻135
8.3雙極板與氣體擴散層的接觸電阻135
8.3.1接觸電阻數值模型136
8.3.2預測接觸電阻137
8.4體電阻138
8.4.1電荷傳輸驅動力138
8.4.2體電阻數值模型140
8.4.3電荷傳導142
8.5其他接觸電阻144
8.6內阻對電池性能的影響145
第9章 燃料電池應用147
9.1汽車動力148
9.1.1乘用車148
9.1.2公共汽車151
9.1.3多功能車151
9.1.4應用現狀152
9.2固定電源154
9.2.1固定式燃料電池繫統分類154
9.2.2繫統配置156
9.2.3應用現狀156
9.3備用電源158
9.4小型便攜式電源159
9.5船用動力161
9.5.1船舶161
9.5.2潛艇163
9.6航空航天165
9.6.1航空165
9.6.2航天166
附?錄 主要符號170
參考文獻176

進入21世紀，傳統化石能源的大量工業化應用已給全球造成嚴重的全球環境污染問題，改善環境已成為人類健康發展的迫切任務。另一方面，不可再生化石能源的全球儲量日趨減少，面臨枯竭殆盡的危險。因此，開發多樣化、清潔的能源並減少環境污染已成為未來能源發展和整個人類社會可持續發展的必然趨勢。
質子交換膜（proton exchange membrane，PEM）燃料電池是一種將氫能直接轉換為電能的電化學發電裝置，與內燃機卡諾循環熱效率35%的限制相比，PEM燃料電池的理論綜合效率可達到80%以上，具有能量轉換效率高、環境友好、工作溫度低、啟停響應快等諸多優點。在全世界碳達峰碳中和的“雙碳”目標下，PEM燃料電池技術被認為是一種可以替代傳統蓄電池和內燃機的潛在重要技術之一,未來可廣泛應用於汽車動力、分布式發電、無人機及軍事等應用領域。
雖然PEM燃料電池有諸多優勢和廣泛的應用前景，但目前此技術依然沒有全面商業化並廣泛應用於人們的生活，因為此技術正面臨性能、成本及壽命等方面亟待解決的瓶頸問題。本書的核心內容—PEM燃料電池基礎與性能計算，就是為了解決這些瓶頸問題而開展的相關工作。本書對PEM燃料電池基礎知識和性能計算方法做了繫統性的介紹，部分內容用圖表或方程式進行說明，簡潔明了，通俗易懂。
本書分為9章，第1章簡要介紹了燃料電池的組成、原理、分類與特點、電池繫統。第2 ~ 5章介紹了基礎化學與熱力學、電化學、關鍵材料的物理特性參數、電池運行條件，多以數學公式和圖表闡述，作為深入了解PEM燃料電池原理的基礎，有助於讀者定性計算和分析電池的性能。第6 ~ 8章介紹了PEM燃料電池性能計算公式與方法、組裝力和內阻計算與結果分析，基於OpenFOAM平臺PEM燃料電池求解器的結構、使用方法、參數設置與模型驗證等，有助於讀者深入理解電池基礎知識，以及將性能計算方法應用於實際電池的設計與開發過程中。第9章總結了燃料電池在民用、軍工等領域的應用和技術現狀, 包括汽車動力、固定電源、備用電源、小型便攜式電源、船用動力和航空航天等領域，幫助讀者了解此清潔發電技術的總體應用前景。
本書適於從事PEM燃料電池研究與工程開發的科技工作者閱讀，也可作為高年級本科生、研究生的教學參考書。
本書由三位作者共同撰寫初稿、校閱相關章節及引用的文獻，並繪制了大量圖表。其中，第1 ~ 8章由中國地質大學（武漢）王家堂編寫，第9章由航天工程大學仝毅恆編寫，附錄、參考文獻、部分插圖由中國地質大學（武漢）蔡衛衛編寫和繪制，仝毅恆還參與了第1~7章部分數值方程的編寫和指導，王家堂負責全書統稿和審定工作。作者衷心感謝為本書撰寫做出貢獻和提出寶貴建議的同事們。
由於作者水平有限，書中難免有不當之處，望廣大讀者指正。
王家堂
2022年10月