前言
PREFACE

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教育部重点实验室、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