氢燃料电池多物理过程建模与

质子交换膜燃料电池作为一种清洁高效的电化学能源转换装置，具有效率高、功率密度大、运行温度低、环境友好和无噪声等优点，被广泛认为是交通运输、固定电站和便携式能源等领域的下一代动力设备。为更好地提升燃料电池的性能，理解并优化其内部多物理场传输过程已经成为其研究领域中的重要方向之一。燃料电池内部复杂的跨尺度“气?水?热?电?力”过程相互耦合，相互制约，合理调控电池内多尺度多相态多物理场传输，进一步实现燃料电池的高性能、低成本和长寿命是目前基础研究和工程应用中共同面临的技术瓶颈和挑战。
攻读博士期间，我在陶文铨院士的指导下开展高效传热与节能技术相关的工作，在强化换热和数值算法领域开展研究。2005年工作以后，我在陶文铨院士的继续支持下将传热传质过程的数值仿真拓展至燃料电池电化学过程和可再生能源高效利用等多个方面。通过多年的努力和不断的探索，在国家重点研发项目、自然科学基金项目以及企业横向项目的支持下，团队在质子交换膜燃料电池建模与仿真领域的研究工作取得了显著的进展，深入揭示了燃料电池在不同应用场景下的质子/电子传导、氧气/氢气传输、水热管理、寿命衰减等关键电化学热物理过程，并开发了精确可靠的数学模型和仿真工具。这些成果不仅在学术界受到广泛的认可，也得到了工业界的重视和应用。我将多年来的研究成果、经验和实例进行总结形成了本书，旨在为对燃料电池多物理场建模感兴趣的读者提供参考。
本书第1章绪论着重介绍质子交换膜燃料电池的基本原理及发展现状；第2章为燃料电池热力学及电化学理论，介绍其内部的反应动力学及电压损失和性能描述方法；第3章、第4章分别基于宏观性能预测模型、介观孔尺度方法以及微观分子动力学模型等揭示电池内部不同部件下多物理场输运过程及建模方法，涵盖了全电池、质子交换膜、催化层、扩散层等；第5章介绍了面向工程的电堆设计方法与仿真建模手段；第6章总结了燃料电池系统机理模型，对电堆和系统部件的耦合建模进行归纳；第7章讲解了膜和催化层衰减机理及相应的建模仿真方法；第8章对电热氢联供系统建模仿真方法进行了详细介绍。
在本书编写过程中，得到了单位、团队、学界与企业同仁的大力支持与帮助。在此特别感谢西安交通大学热流科学与工程重点实验室、陕西省氢燃料电池性能提升协同创新中心的全体师生，他们对书稿内容的完善和修正提供了有益的帮助，感谢华中科技大学的涂正凯教授重点对本书第8章电热氢联供系统建模仿真所做的贡献，感谢东方电气（成都）氢燃料电池科技有限公司提供的产品实物照片。此书得到国家出版基金的资助并在机械工业出版社出版，在此一并表示感谢。
编者水平有限，书中错误与不足之处在所难免，敬请读者批评指正。

屈治国

以氢气为燃料的质子交换膜燃料电池在交通运输、分布式能源等领域具有巨大应用潜力，其内能量转换和热质传输现象是一个典型的多尺度、多相流、多维度的电化学与热物理耦合过程。本书首先介绍了质子交换膜燃料电池基本原理和相关的热力学与电化学基础知识；其次系统介绍了燃料电池涉及的膜电极、单电池、电堆和系统多个尺度层面的“气-水-热-电”输运过程的模拟仿真方法，并对膜电极衰减过程建模仿真方法进行了探讨；最后给出了一种电热氢联供系统的建模仿真方法。
本书适合从事质子交换膜燃料电池热质传输过程建模仿真技术研究、产品开发等相关学者和工程设计人员阅读使用，还可作为高年级本科生和研究生课程参考教材，供能源动力、储能、化工等相关学科的教师和学生使用。

屈治国，西安交通大学教授，博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者、长江学者奖励计划青年学者、中组部万人计划青年拔尖人才、陕西省青年科技新星等人才计划支持，荣获陕西省科学技术自然科学一等奖（2020年，排名第1）、国家科技进步奖创新团队（2017年，排名第6）、国家科技进步二等奖（2015年，排名第2）、国家技术发明二等奖（2009，排名第3）、吴仲华优秀青年学者奖、全国百篇优秀博士论文、陕西省青年科技奖、霍英东青年教师奖等奖励。现任陕西省氢燃料电池性能提升协同创新中心主任、西安市数据中心节能与低碳技术重点实验室主任、美国机械工程师协会（ASME）K18委员会副主席、内燃机学会燃料电池发动机分会副主任委员。多年来，以高效传热与节能技术、氢能技术以及微纳能量转换为主要研究方向。主持国家重点研发计划燃料电池项目（首席科学家）、973项目课题、国家自然科学基金重点项目（联合主持）、国防973子专题、国防重大专项基础研究课题、海军装备预研项目、国家自然科学基金等纵向课题30余项。已发表学术论文305篇，包括SCI英文国际期刊论文191篇；出版英文专著3章节；发明专利授权54项；参与制定国家标准1项。

丛书序
序
前言
第1章　绪论001
1.1　发展燃料电池的重大需求002
1.1.1　氢能在可再生能源体系中的重要作用002
1.1.2　燃料电池的发展历程003
1.2　质子交换膜燃料电池的优势及应用005
1.2.1　交通运输领域006
1.2.2　分布式能源006
1.3　质子交换膜燃料电池工作原理007
1.4　质子交换膜燃料电池基本结构009
1.4.1　单电池基本结构009
1.4.2　电堆基本结构011
1.4.3　系统基本结构014
1.5　质子交换膜燃料电池关键问题及挑战016
1.5.1　高功率密度016
1.5.2　高耐久性017
1.5.3　面向商业化应用的低成本017
1.6　质子交换膜燃料电池多物理过程建模与仿真017
参考文献020
第2章　燃料电池热力学及电化学理论022
2.1　热力学理论023
2.1.1　反应热026
2.1.2　理论电功026
2.1.3　可逆电压027
2.1.4　理论效率028
2.1.5　能斯特方程029
2.2　电池电压损失与实际输出电压032
2.3　电化学理论034
2.3.1　反应动力学和反应速率034
2.3.2　巴特勒-福尔默方程035
2.3.3　塔费尔方程037
参考文献038
第3章　燃料电池多物理场宏观模型及仿真040
3.1　燃料电池结构和物理过程介绍041
3.2　燃料电池三维两相宏观模型045
3.2.1　模型计算域选取045
3.2.2　控制方程049
3.2.3　边界条件及求解方法063
3.2.4　燃料电池单流道模型影响特性064
3.2.5　基于单电池全尺寸模型的计算案例067
3.2.6　冷启动过程以及三维宏观仿真模型072
3.3　燃料电池一维宏观模型078
3.3.1　控制方程079
3.3.2　初始条件与边界条件081
3.3.3　模型耦合求解及验证082
3.3.4　基于一维模型的燃料电池传输特征分析实例085
参考文献090
第4章　燃料电池膜电极关键输运过程模型及仿真093
4.1　质子交换膜结构及传输机理094
4.1.1　质子交换膜简介095
4.1.2　质子交换膜宏观特性参数098
4.1.3　质子交换膜微观尺度模型100
4.1.4　分子尺度膜的建模仿真103
4.2　催化层内传输及建模仿真108
4.2.1　催化层结构及输运过程简介108
4.2.2　 催化层微观模型的应用110
4.2.3　催化层介观模型的应用115
4.2.4　催化层宏观模型的应用120
4.3　气体扩散层内传输及建模仿真126
4.3.1　气体扩散层结构及输运过程简介126
4.3.2　气体扩散层数值重构133
4.3.3　气体扩散层的VOF模型 137
4.3.4　气体扩散层介观模型的应用139
参考文献157
第5章　电堆设计与模拟仿真方法162
5.1　燃料电池电堆设计的要素163
5.1.1　电堆基本结构163
5.1.2　电堆核心部件166
5.2　面向工程的燃料电池电堆设计方法167
5.2.1　设计思路167
5.2.2　设计实例181
5.3　燃料电池电堆等效网络模型与神经网络方法190
5.3.1　流体网络方法190
5.3.2　人工神经网络方法205
5.4　燃料电池电堆三维数值仿真方法211
5.4.1　三维全尺寸电堆模型212
5.4.2　包含风扇的电堆三维CFD仿真219
参考文献225
第6章　燃料电池系统模型及仿真方法227
6.1　燃料电池系统介绍228
6.1.1　燃料电池系统228
6.1.2　氢气供应回路230
6.1.3　空气供应回路232
6.1.4　冷却回路234
6.2　燃料电池系统建模思路236
6.3　系统级燃料电池堆模型237
6.3.1　电堆部件模型237
6.3.2　电堆部件局部模块模型239
6.4　系统内辅助部件模型249
6.4.1　歧管模型249
6.4.2　空压机模型250
6.4.3　氢循环装置模型253
6.4.4　加湿器模型258
6.4.5　冷却回路模型260
6.5　基于盲端阳极的燃料电池系统模拟仿真264
6.5.1　全局系统模型构建264
6.5.2　输入参数267
6.5.3　系统负载工况研究268
参考文献271
第7章　电堆性能衰减机制及其数值仿真275
7.1　燃料电池性能衰减机制概述276
7.1.1　开路/怠速工况下的性能衰减276
7.1.2　变载工况下的性能衰减277
7.1.3　启动/停机工况下的性能衰减281
7.2　质子交换膜的化学降解模型285
7.2.1　自由基对质子交换膜的攻击285
7.2.2　过氧化氢的生成与分解288
7.2.3　各组分的传输过程289
7.2.4　沉淀铂对质子交换膜化学降解的影响292
7.2.5　传统模型与改进模型的计算结果对比294
7.2.6　质子交换膜化学降解过程分析295
7.3　铂催化剂的降解和铂带生成模型297
7.3.1　铂催化剂的降解298
7.3.2　铂带的生成301
7.3.3　模型验证305
7.3.4　影响铂降解的主要因素和铂带生成过程分析307
7.4　水淹导致的碳腐蚀模型310
7.4.1　碳腐蚀动力学模型311
7.4.2　影响碳腐蚀的主要因素314
参考文献320
第8章　电热氢联供系统建模仿真研究323
8.1　电热氢联供系统介绍324
8.2　电热氢联供子系统建模326
8.2.1　太阳能光伏阵列模型326
8.2.2　碱性水电解槽模型327
8.2.3　金属氢化物储氢模型330
8.2.4　燃料电池模型332
8.3　电热氢联供系统建模仿真334
8.4　离网运行下系统电、热、氢动态性能分析337
8.4.1　用户电热负荷和太阳辐照条件337
8.4.2　系统控制策略338
8.4.3　系统动态性能—夏季340
8.4.4　系统动态性能—冬季343
8.5　离网运行下系统能量管理策略优化346
8.5.1　控制策略346
8.5.2　性能对比—夏季348
8.5.3　性能对比—冬季350
8.5.4　盈余能量分

以氢气为燃料的质子交换膜燃料电池在交通运输、分布式能源等领域具有巨大应用潜力，其内能量转换和热质传输现象是一个典型的多尺度、多相流、多维度的电化学与热物理耦合过程。本书首先介绍了质子交换膜燃料电池基本原理和相关的热力学与电化学基础知识；其次系统介绍了燃料电池涉及的膜电极、单电池、电堆和系统多个尺度层面的“气-水-热-电”输运过程的模拟仿真方法，并对膜电极衰减过程建模仿真方法进行了探讨；最后给出了一种电热氢联供系统的建模仿真方法。
本书适合从事质子交换膜燃料电池热质传输过程建模仿真技术研究、产品开发等相关学者和工程设计人员阅读使用，还可作为高年级本科生和研究生课程参考教材，供能源动力、储能、化工等相关学科的教师和学生使用。

屈治国，西安交通大学教授，博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者、长江学者奖励计划青年学者、中组部万人计划青年拔尖人才、陕西省青年科技新星等人才计划支持，荣获陕西省科学技术自然科学一等奖（2020年，排名第1）、国家科技进步奖创新团队（2017年，排名第6）、国家科技进步二等奖（2015年，排名第2）、国家技术发明二等奖（2009，排名第3）、吴仲华优秀青年学者奖、全国百篇优秀博士论文、陕西省青年科技奖、霍英东青年教师奖等奖励。现任陕西省氢燃料电池性能提升协同创新中心主任、西安市数据中心节能与低碳技术重点实验室主任、美国机械工程师协会（ASME）K18委员会副主席、内燃机学会燃料电池发动机分会副主任委员。多年来，以高效传热与节能技术、氢能技术以及微纳能量转换为主要研究方向。主持国家重点研发计划燃料电池项目（首席科学家）、973项目课题、国家自然科学基金重点项目（联合主持）、国防973子专题、国防重大专项基础研究课题、海军装备预研项目、国家自然科学基金等纵向课题30余项。已发表学术论文305篇，包括SCI英文国际期刊论文191篇；出版英文专著3章节；发明专利授权54项；参与制定国家标准1项。