前言

进入21世纪，传统化石能源的大量工业化应用已给全球造成严重的全球环境污染问题，改善环境已成为人类健康发展的迫切任务。另一方面，不可再生化石能源的全球储量日趋减少，面临枯竭殆尽的危险。因此，开发多样化、清洁的能源并减少环境污染已成为未来能源发展和整个人类社会可持续发展的必然趋势。

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，与内燃机卡诺循环热效率35%的限制相比，PEM燃料电池的理论综合效率可达到80%以上，具有能量转换效率高、环境友好、工作温度低、启停响应快等诸多优点。在全世界碳达峰碳中和的“双碳”目标下，PEM燃料电池技术被认为是一种可以替代传统蓄电池和内燃机的潜在重要技术之一，未来可广泛应用于汽车动力、分布式发电、无人机及军事等应用领域。

虽然PEM燃料电池有诸多优势和广泛的应用前景，但目前此技术依然没有全面商业化并广泛应用于人们的生活，因为此技术正面临性能、成本及寿命等方面亟待解决的瓶颈问题。本书的核心内容——PEM燃料电池基础与性能计算，就是为了解决这些瓶颈问题而开展的相关工作。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。

本书分为9章，第1章简要介绍了燃料电池的组成、原理、分类与特点、电池系统。第2～5章介绍了基础化学与热力学、电化学、关键材料的物理特性参数、电池运行条件，多以数学公式和图表阐述，作为深入了解PEM燃料电池原理的基础，有助于读者定性计算和分析电池的性能。第6～8章介绍了PEM燃料电池性能计算公式与方法、组装力和内阻计算与结果分析，基于OpenFOAM平台PEM燃料电池求解器的结构、使用方法、参数设置与模型验证等，有助于读者深入理解电池基础知识，以及将性能计算方法应用于实际电池的设计与开发过程中。第9章总结了燃料电池在民用、军工等领域的应用和技术现状，包括汽车动力、固定电源、备用电源、小型便携式电源、船用动力和航空航天等领域，帮助读者了解此清洁发电技术的总体应用前景。

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。

本书由三位作者共同撰写初稿、校阅相关章节及引用的文献，并绘制了大量图表。其中，第1～8章由中国地质大学（武汉）王家堂编写，第9章由航天工程大学仝毅恒编写，附录、参考文献、部分插图由中国地质大学（武汉）蔡卫卫编写和绘制，仝毅恒还参与了第1～7章部分数值方程的编写和指导，王家堂负责全书统稿和审定工作。作者衷心感谢为本书撰写做出贡献和提出宝贵建议的同事们。

由于作者水平有限，书中难免有不当之处，望广大读者指正。

2022年10月