質(zhì)子交換膜（proton exchange membrane, PEM）燃料電池是一種將氫能直接轉(zhuǎn)換為電能的電化學發(fā)電裝置，其內(nèi)部存在多相多組分耦合的電化學反應、流動和傳熱等過程。通過數(shù)值方法探究其內(nèi)部復雜的電化學和傳熱傳質(zhì)過程，是一種比實驗途徑更高效、更快捷、成本更低的流體動力學方法，可以指導提升電池的性能、耐久性和壽命。
本書簡述了燃料電池的原理、分類和特點，基礎化學和熱力學，電化學，關(guān)鍵材料的物理特性參數(shù)，電池的運行條件和數(shù)值計算方法，基于OpenFOAM平臺燃料電池數(shù)值模型的結(jié)構(gòu)、操作使用和驗證，以及電池組裝條件下的組裝力、內(nèi)阻、物質(zhì)傳輸和性能計算。全書的重點是PEM燃料電池的基礎原理和性能計算方法。最后從燃料電池技術(shù)特點的角度，分析了燃料電池在汽車動力、各式電源、船用動力、航空航天等領(lǐng)域的應用和技術(shù)現(xiàn)狀，并且指明了各個領(lǐng)域需要解決的問題。
本書適于從事PEM燃料電池研究和應用的科技工作者閱讀，也可供高等院校相關(guān)專業(yè)師生參考。
1.本書從什么是燃料電池講起，介紹了相關(guān)的發(fā)展歷史、基本原理和燃料電池分類；之后沿著燃料電池基礎化學和熱力學、電化學、效率、組件材料、運行條件的思路，從數(shù)值的角度詳細介紹了如何運用公式描述燃料電池的催化反應、熱力學過程、運行性能等一系列過程，由此引入運用這些方程如何操作和仿真計算質(zhì)子交換膜燃料電池的性能，包括數(shù)值建模、流場設計、性能優(yōu)化等；最后總結(jié)歸納了質(zhì)子交換膜燃料電池在汽車、固定電源、便攜式電源、軍事等領(lǐng)域的應用和技術(shù)現(xiàn)狀，并指明了各個領(lǐng)域需要解決的問題。本書對PEM燃料電池基礎知識和性能計算方法做了系統(tǒng)性的介紹，部分內(nèi)容用圖表或方程式進行說明，簡潔明了，通俗易懂。
2. 本書的作者擁有完整的質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)研發(fā)經(jīng)驗，具備超10年的流動動力學知識使用經(jīng)驗和電池電化學相關(guān)的研究歷史，曾經(jīng)參與過質(zhì)子交換膜燃料電池相關(guān)的國家標準的制定，有能力支撐本書的研究工作，可以為研究成果的水平與質(zhì)量提供保證。
3.本書適于從事PEM燃料電池研究與工程開發(fā)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。
進入21世紀，傳統(tǒng)化石能源的大量工業(yè)化應用已給全球造成嚴重的全球環(huán)境污染問題，改善環(huán)境已成為人類健康發(fā)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(fā)多樣化、清潔的能源并減少環(huán)境污染已成為未來能源發(fā)展和整個人類社會可持續(xù)發(fā)展的必然趨勢。
質(zhì)子交換膜（proton exchange membrane，PEM）燃料電池是一種將氫能直接轉(zhuǎn)換為電能的電化學發(fā)電裝置，與內(nèi)燃機卡諾循環(huán)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(zhuǎn)換效率高、環(huán)境友好、工作溫度低、啟停響應快等諸多優(yōu)點。在全世界碳達峰碳中和的雙碳目標下，PEM燃料電池技術(shù)被認為是一種可以替代傳統(tǒng)蓄電池和內(nèi)燃機的潛在重要技術(shù)之一,未來可廣泛應用于汽車動力、分布式發(fā)電、無人機及軍事等應用領(lǐng)域。
雖然PEM燃料電池有諸多優(yōu)勢和廣泛的應用前景，但目前此技術(shù)依然沒有全面商業(yè)化并廣泛應用于人們的生活，因為此技術(shù)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(nèi)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(guān)工作。本書對PEM燃料電池基礎知識和性能計算方法做了系統(tǒng)性的介紹，部分內(nèi)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、電池系統(tǒng)。第2 ~ 5章介紹了基礎化學與熱力學、電化學、關(guān)鍵材料的物理特性參數(shù)、電池運行條件，多以數(shù)學公式和圖表闡述，作為深入了解PEM燃料電池原理的基礎，有助于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(nèi)阻計算與結(jié)果分析，基于OpenFOAM平臺PEM燃料電池求解器的結(jié)構(gòu)、使用方法、參數(shù)設置與模型驗證等，有助于讀者深入理解電池基礎知識，以及將性能計算方法應用于實際電池的設計與開發(fā)過程中。第9章總結(jié)了燃料電池在民用、軍工等領(lǐng)域的應用和技術(shù)現(xiàn)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(lǐng)域，幫助讀者了解此清潔發(fā)電技術(shù)的總體應用前景。
本書適于從事PEM燃料電池研究與工程開發(fā)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(guān)章節(jié)及引用的文獻，并繪制了大量圖表。其中，第1 ~ 8章由中國地質(zhì)大學（武漢）王家堂編寫，第9章由航天工程大學仝毅恒編寫，附錄、參考文獻、部分插圖由中國地質(zhì)大學（武漢）蔡衛(wèi)衛(wèi)編寫和繪制，仝毅恒還參與了第1~7章部分數(shù)值方程的編寫和指導，王家堂負責全書統(tǒng)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。
由于作者水平有限，書中難免有不當之處，望廣大讀者指正。
王家堂
2022年10月
前?言
第 1 章 燃料電池概述1
1.1 什么是燃料電池？1
1.2 發(fā)展歷史3
1.3 組成和原理5
1.4 分類和特點7
1.5 燃料電池系統(tǒng)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(jié)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(shù)和傳遞系數(shù)27
3.1.3 電流電壓關(guān)系：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(nèi)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(nèi)部的電位分布40
3.5 極化曲線參數(shù)的靈敏度41
3.5.1 傳遞系數(shù)/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(nèi)部電流損失的影響44
3.5.4 內(nèi)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(chǎn)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(shù)學描述57
4.1 電池內(nèi)過程描述57
4.2 膜58
4.2.1 吸水量60
4.2.2 物理性質(zhì)61
4.2.3 質(zhì)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 處理和涂層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(zhì)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(zhì)量守恒100
6.2.2 動量守恒101
6.2.3 組分守恒102
6.2.4 能量守恒104
6.2.5 電荷守恒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(shù)設置112
6.5 模型驗證113
6.6 操作使用115
6.7 求解器結(jié)構(gòu)118
6.7.1 網(wǎng)格、物性和場118
6.7.2 流體物質(zhì)和關(guān)聯(lián)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(huán)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、電導率和傳熱系數(shù)125
7.2 傳質(zhì)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(nèi)阻計算134
8.1 內(nèi)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(shù)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(qū)動力138
8.4.2 體電阻數(shù)值模型140
8.4.3 電荷傳導142
8.5 其他接觸電阻144
8.6 內(nèi)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(xiàn)狀152
9.2 固定電源154
9.2.1 固定式燃料電池系統(tǒng)分類154
9.2.2 系統(tǒng)配置156
9.2.3 應用現(xiàn)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
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