前言
PREFACE

質子交換膜燃料電池作為一種清潔高效的電化學能源轉換裝置，具有效率高、功率密度大、運行溫度低、環境友好和無噪聲等優點，被廣泛認為是交通運輸、固定電站和便攜式能源等領域的下一代動力設備。為更好地提升燃料電池的性能，理解并優化其內部多物理場傳輸過程已經成為其研究領域中的重要方向之一。燃料電池內部復雜的跨尺度“氣-水-熱-電-力”過程相互耦合，相互制約，合理調控電池內多尺度多相態多物理場傳輸，進一步實現燃料電池的高性能、低成本和長壽命是目前基礎研究和工程應用中共同面臨的技術瓶頸和挑戰。

攻讀博士期間，我在陶文銓院士的指導下開展高效傳熱與節能技術相關的工作，在強化換熱和數值算法領域開展研究。2005年工作以后，我在陶文銓院士的繼續支持下將傳熱傳質過程的數值仿真拓展至燃料電池電化學過程和可再生能源高效利用等多個方面。通過多年的努力和不斷的探索，在國家重點研發項目、自然科學基金項目以及企業橫向項目的支持下，團隊在質子交換膜燃料電池建模與仿真領域的研究工作取得了顯著的進展，深入揭示了燃料電池在不同應用場景下的質子/電子傳導、氧氣/氫氣傳輸、水熱管理、壽命衰減等關鍵電化學熱物理過程，并開發了精確可靠的數學模型和仿真工具。這些成果不僅在學術界受到廣泛的認可，也得到了工業界的重視和應用。我將多年來的研究成果、經驗和實例進行總結形成了本書，旨在為對燃料電池多物理場建模感興趣的讀者提供參考。

本書第1章緒論著重介紹質子交換膜燃料電池的基本原理及發展現狀；第2章為燃料電池熱力學及電化學理論，介紹其內部的反應動力學及電壓損失和性能描述方法；第3章、第4章分別基于宏觀性能預測模型、介觀孔尺度方法以及微觀分子動力學模型等揭示電池內部不同部件下多物理場輸運過程及建模方法，涵蓋了全電池、質子交換膜、催化層、擴散層等；第5章介紹了面向工程的電堆設計方法與仿真建模手段；第6章總結了燃料電池系統機理模型，對電堆和系統部件的耦合建模進行歸納；第7章講解了膜和催化層衰減機理及相應的建模仿真方法；第8章對電熱氫聯供系統建模仿真方法進行了詳細介紹。

在本書編寫過程中，得到了單位、團隊、學界與企業同仁的大力支持與幫助。在此特別感謝西安交通大學熱流科學與工程教育部重點實驗室、陜西省氫燃料電池性能提升協同創新中心的全體師生，他們對書稿內容的完善和修正提供了有益的幫助，感謝華中科技大學的涂正凱教授重點對本書第8章電熱氫聯供系統建模仿真所做的貢獻，感謝東方電氣（成都）氫燃料電池科技有限公司提供的產品實物照片。此書得到國家出版基金的資助并在機械工業出版社出版，在此一并表示感謝。

編者水平有限，書中錯誤與不足之處在所難免，敬請讀者批評指正。

屈治國