▲ 焦魁
天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室教授、博士生导师。主要从事能源利用和工程热物理方面的研究工作。近年来主持燃料电池相关项目30余项，包括国家优秀青年基金、英国皇家学会牛顿高级学者基金、国家重点研发计划课题等国家和省部级项目，以及上汽、一汽、潍柴、捷氢、博世、新源动力等企业委托研发项目。所开发的燃料电池仿真模型在多家企业得到成功应用。担任国际期刊Energy and AI创刊副主编、中国内燃机学会燃料电池发动机分会副主任委员。获霍英东青年教师奖、吴仲华青年学者奖等荣誉。
燃料电池是一种电化学能量转换装置，能够直接将化学能转化为电能。它的工作过程与传统热机明显不同，不受卡诺循环的效率限制，因而具有能量转化效率高、无污染、低噪声等特点，是一种理想的能源利用方式。
在多种燃料电池中，以氢气为燃料的质子交换膜燃料电池也常称为聚合物电解质膜燃料电池(polymer electrolyte membrane fuel cell，PEMFC)，不仅具备燃料电池的一般优势，还具有工作温度低和启停响应快等特点，在未来可广泛应用于汽车动力源、分布式发电、无人机及军事应用等场景。
质子交换膜燃料电池是目前技术成熟度最高、应用最广泛的一种燃料电池。2017 年全球质子交换膜燃料电池出货量为4.55 万个，占全球燃料电池总出货量的62.67%；出货容量为486.8MW，占全球燃料电池总出货容量的72.69%。可以预见，质子交换膜燃料电池在国际国内都具有良好的发展前景，势必在未来全球的能源应用和能量转化装置等领域占据重要地位。
▲上汽集团荣威950 燃料电池轿车及其搭载的捷氢科技燃料电池系统PROME P240S。荣威950是目前国内首款实现公告、销售和上牌的燃料电池乘用车，也是国内首款应用70MPa 储氢系统的燃料电池车型，续航里程可达430km，搭载捷氢科技燃料电池系统PROME P240S。
客观上，希望质子交换膜燃料电池在未来像内燃机和火力电厂一样出现在人们能源利用的各个角落，仍有较长的路要走。通过大力发展质子交换膜燃料电池技术，提升性能、降低成本及提高寿命是质子交换膜燃料电池研究和发展的核心目标。本书（文）的核心内容——质子交换膜燃料电池水热管理，就是为了实现这一目标而开展的相关工作。
▲ 质子交换膜燃料电池的基本工作原理及实物图
质子交换膜燃料电池作为一种能量转化和动力机械装置，许多方面可以与内燃机来类比。内燃机工作时我们所关注问题包括燃料供给、新鲜空气的补充和尾气的排放、气道和气缸内的流动、燃烧过程、冷却系统及启动系统等。对于质子交换膜燃料电池内部过程，气体反应物输送至电化学反应位点的过程可类比于燃料和新鲜空气的供给，电化学反应生成物水的排出可类比于内燃机尾气的排放，燃料电池的流道和多孔电极中的流动可类比于歧管和气缸中的流动，电化学反应过程类比于燃烧及做功过程。燃料电池虽然具有较高的能量转化效率，但依然有废热产生，需要冷却系统带走多余的热量。质子交换膜燃料电池同样存在启动和低温启动等问题。因此，质子交换膜燃料电池水热管理，就是质子交换膜燃料电池所有内部传输过程的统称，涵盖了电池内“气—水—电—热—力”传输的所有过程。
电池内的“水—电—热—气—力”五点彼此影响，耦合在一起，均对质子交换膜燃料电池的输出性能和寿命有重要的影响，这使质子交换膜燃料电池水热管理充满挑战。每一次水热管理的突破都将带来质子交换膜燃料电池技术的重大进展。
2003 年，我初次与燃料电池结缘。彼时大三的我有幸进入周彪老师的实验室接触相关的研究工作。经过四年的学习探索后，进入滑铁卢大学李献国老师实验室开启博士阶段的研究。2011 年，我来到天津大学工作，与杜青、尹燕等几位老师共同承担起了燃料电池方面的研究任务，这也是内燃机燃烧学国家重点实验室在传统动力之外开拓的新领域。随着思考与探究的深入，我愈发觉得，水热管理将成为燃料电池产业化进程中的关键一环。如今回首，这一想法恰恰与近二十年间燃料电池技术的发展历程相符合。
近十年来，随着中国燃料电池产业的蓬勃发展，在国家重点研发计划、自然科学基金、企业合作等项目的支持下，我们团队开发了一系列具有自主知识产权的燃料电池仿真模型，形成了完整的燃料电池设计、制备、组装和测试体系，在多家企业的燃料电池水热管理研究和产品正向开发过程中得到了成功应用。
▲ 天津大学燃料电池团队合影(拍摄于2019 年12 月)
基于团队多年来的研究积累，我们撰写了这部专著《质子交换膜燃料电池水热管理》（焦魁等著. 北京：科学出版社，2020.6）。本书详细介绍了质子交换膜燃料电池水热管理所涉及的基本原理和研究方法。全书共分为8 章，第1 章介绍了相关的基本原理和发展背景；第2 章讲述了各部件工作原理与传输机制；第3 章详细介绍了表征测试及诊断分析方法；第4～7 章分别讲解了各部件、单电池、电堆及系统层面所涉及的水热管理问题和仿真方法；第8 章为总结与展望。此外，我们也开源了一些自主开发的、不依靠于商业软件运行的燃料电池仿真和水热管理研究的源程序，供感兴趣的读者参考使用。
“十三五”期间，我国在燃料电池基础研究和产业化发展等方面进展显著，产业链已初步形成。“十四五”将是我国相关技术和产业实现从跟跑到并跑转换的关键时期。希望本书对从事燃料电池研究的科技工作者会有所帮助和获益，为整个燃料电池行业的发展和技术进步做出贡献。
本文摘编自《质子交换膜燃料电池水热管理》（焦魁等著. 北京：科学出版社，2020.6）一书“前言”“序一”“序二”“第1章 导论”，有删减修改，标题为编者所加。
ISBN 978-7-03-065086-3
责任编辑：范运年
质子交换膜燃料电池是一种清洁、高效的电化学能量转化装置，其内部存在电化学反应、多相流动及传热等复杂的物理化学过程。探究质子交换膜燃料电池内部反应及传输过程机理，并通过电池设计优化实现这些过程的有效调控，称为质子交换膜燃料电池水热管理。良好的水热管理，对于提升电池性能和耐久性具有重要的意义。本书共8 章，以质子交换膜燃料电池水热管理为核心，系统详细地介绍了燃料电池基础及水热管理，各部件工作原理与传输机制，表征测试及诊断分析，部件内部多相流动和电极动力学仿真，单电池、电堆以及系统层面的水热管理与建模分析。本书适合于从事质子交换膜燃料电池及水热管理技术研究、产品开发及教学等相关人员阅读和参考。
目 录
序一
序二
前言
符号表
第1章 导论 1
1.1 质子交换膜燃料电池在能源环境问题中的角色 1
1.2 质子交换膜燃料电池基础 3
1.2.1 工作原理 3
1.2.2 基础结构 4
1.2.3 燃料电池热力学 5
1.2.4 燃料电池反应动力学 9
1.2.5 燃料电池的输出性能 12
1.2.6 燃料电池的效率 14
1.3 质子交换膜燃料电池水热管理 16
1.3.1 水热管理 16
1.3.2 水热管理的研究内容及现状 18
参考文献 20
第2章 各部件工作原理与传输机制 23
2.1 水热管理中的“水”和“热” 23
2.1.1 水的状态 23
2.1.2 电池中的产热与散热 24
2.2 极板和流场 25
2.2.1 传统流场 25
2.2.2 三维流场 29
2.2.3 多孔介质流场 31
2.3 电解质 33
2.3.1 电解质及水的状态 33
2.3.2 电解质内质子传输 35
2.3.3 电解质内水传输 36
2.3.4 电解质内气体传输 40
2.4 多孔电极 42
2.4.1 多孔电极结构 42
2.4.2 多孔电极内的扩散与对流 47
2.4.3 多孔区域内水的相变 49
2.4.4 催化层内水的状态和传输 51
2.4.5 多孔电极内电传输 53
本章小结 54
参考文献 54
第3章 质子交换膜燃料电池表征测试及诊断分析 57
3.1 实验方法概述 57
3.2 宏观特性表征 58
3.2.1 极化曲线 58
3.2.2 机械振动 58
3.2.3 重力特性 59
3.2.4 低温启动 60
3.2.5 耐久性 62
3.3 电化学表征 64
3.3.1 电化学阻抗谱法 65
3.3.2 高频阻抗 72
3.3.3 电流中断法 74
3.3.4 循环伏安法 74
3.3.5 线性扫描伏安法 76
3.3.6 一氧化碳溶出伏安法 78
3.4 分布特性表征 79
3.4.1 电流密度分布 79
3.4.2 电化学阻抗谱法分布 81
3.4.3 组分分布 81
3.4.4 温度分布 82
3.5 可视化 83
3.5.1 光学透明电池 84
3.5.2 X射线成像 85
3.5.3 中子成像 86
3.5.4 核磁共振成像 87
3.6 材料离线表征 88
3.6.1 多孔性与渗透性 88
3.6.2 膜电导率 89
3.6.3 微观结构分析 89
3.6.4 粒度分析 92
3.6.5 元素分析 94
本章小结 95
参考文献 96
习题与实战 99
第4章 燃料电池部件内部多相流动和电极动力学仿真 101
4.1 数值方法回顾 101
4.2 流道内的模拟 102
4.2.1 流动现象概述 102
4.2.2 宏观数值方法对运动界面的处理 104
4.2.3 格子玻尔兹曼方法在流道中的应用 109
4.2.4 流道内的湍流流动模拟 114
4.3 多孔介质内的模拟 117
4.3.1 多孔介质内物理问题概述 117
4.3.2 多孔介质微观结构重构 118
4.3.3 VOF方法在多孔介质内的应用 131
4.3.4 格子玻尔兹曼方法在多孔介质内的应用 133
本章小结 147
参考文献 147
习题与实战 153
第5章 单电池水热管理与建模分析 154
5.1 单电池水热管理仿真模型简介 154
5.2 CFD数值模型 155
5.2.1 流场内气液两相流动过程仿真分析 156
5.2.2 单电池多孔电极内传输过程建模分析 160
5.2.3 膜态水传输过程 165
5.2.4 离子和电子传输过程 166
5.2.5 热传输过程 174
5.2.6 模型验证 175
5.2.7 网格独立性 178
5.2.8 CFD数值模型计算 179
5.2.9 CFD数值模型结果 179
5.2.10 冷启动工况 186
5.3 低维模型 188
5.3.1 一维稳态模型 189
5.3.2 准二维瞬态模型 194
本章小结 200
参考文献 200
习题与实战 202
第6章 电堆水热管理与建模分析 203
6.1 质子交换膜燃料电池堆及其水热管理 203
6.1.1 电堆结构 203
6.1.2 电堆封装 206
6.1.3 电堆的冷却 207
6.1.4 电堆水热管理 210
6.2 电堆三维数值模型 211
6.2.1 电堆歧管模型 212
6.2.2 包含全电池的电堆模型 212
6.3 电堆低维模型 218
6.3.1 流体网络模型 219
6.3.2 一维电堆模型中的热边界 221
本章小结 223
参考文献 223
习题与实战 225
第7章 系统设计与水热管理分析 226
7.1 燃料电池系统概述 226
7.1.1 氢气制备、提纯与储存工艺 227
7.1.2 气体供给系统 231
7.1.3 加湿系统 236
7.1.4 热管理系统 238
7.1.5 燃料电池汽车动力系统 240
7.2 辅助子系统模型 243
7.2.1 膜加湿器模型 243
7.2.2 电化学氢气泵模型 248
7.2.3 空气压缩机模型 254
7.2.4 热管理系统模型 259
7.2.5 系统仿真模型 264
7.3 燃料电池系统热力学分析 267
7.3.1 能量分析法 268
7.3.2 分析法 268
7.4 系统控制策略与故障规律 270
7.4.1 控制策略 270
7.4.2 故障规律 272
本章小结 273
参考文献 274
习题与实战 277
第8章 总结与展望 278
参考文献 279
附录 281
（本文编辑：刘四旦）
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