本书聚焦车用质子交换膜燃料电池（PEMFC），全面介绍了PEMFC的原理和技术，以及在系统集成与测试过程中涉及的相关知识和技术要点。本书共分为10章，主要内容包括PEMFC的基础理论、材料特性、堆结构和设计、系统集成、测试技术（包含关键材料、单电池、燃料电池堆、燃料电池系统）以及PEMFC在交通领域的应用实例。

本书内容兼顾学术深度与工程实用性，可作为从事燃料电池相关研究的科研人员与工程技术人员的参考资料，帮助其快速掌握车用PEMFC的核心技术逻辑与实践要点；也可以作为能源工程、电气工程、应用化学及车辆工程等相关专业研究生与高年级本科生的扩展学习资料，辅助其建立从基础理论到产业应用的系统认知框架，为后续深入研究或工程实践奠定扎实基础。

在全球能源结构转型与环境保护的双重驱动下，氢燃料电池汽车凭借其零排放、高能效和长续驶里程的独特优势，正逐步成为引领交通领域绿色发展的新引擎。在此背景下，本书旨在为新能源相关专业的学生，以及从事燃料电池相关研究的科技工作者和工程技术人员提供一本详尽且实用的学习资料。

本书首先介绍了燃料电池发展的历史沿革、主要分类及其在汽车领域的应用潜力，力求为读者构建一个清晰、全面的知识体系。然后，通过对燃料电池内部电化学反应、热力学过程以及电荷和质量传输机制的详细解读，使读者能够深刻理解燃料电池高效能量转换的奥秘。接着，在系统集成方面，本书重点探讨了车用燃料电池系统的设计与优化。从燃料电池堆的结构与功能出发，深入分析了燃料电池系统的关键组件、热管理策略、控制系统设计以及整体性能评估方法。最后，本书还详细介绍了燃料电池系统及其关键部件的测试技术，为读者提供了实用的测试方法和评估标准，以确保燃料电池系统的可靠性和耐久性。

值得一提的是，本书不仅涵盖了车用燃料电池的基础理论和系统集成知识，还通过丰富的案例介绍了燃料电池技术在不同载体（如乘用车、公交车、船舶及货车等）中的实际应用。这些案例不仅展现了燃料电池技术的广阔应用前景，也为读者提供了宝贵的实践经验和启示。

通过本书的学习，希望读者能够更深入地理解车用燃料电池的基础理论、系统集成和测试技术方面的知识，为
燃料电池技术发展和交通领域绿色转型发挥更大作用。同时，也期待本书能够激发更多人对燃料电池技术的兴趣和热情，共同推动这一领域的不断创新和发展。

编者

2025年9月

付建勤，湖南大学教授、博导，中国内燃机学会燃烧节能净化分会委员，国家能源局氢能领域专家，国家氢能动力质量检验检测中心专家库成员，国际热流体与控制学术会议组委会委员，《内燃机工程》《汽车工程学报》等多个学术期刊青年编委，入选湖南省杰青等人才计划。长期从事车用动力系统开发和整车能量管理研究，主持国家自然科学基金、国家重点研发计划子课题、重庆市汽车软件重大专项等国家和省部级项目10多项，涵盖燃料电池供气系统、供氢系统、系统集成匹配、整车能量管理等方面的测试和仿真方面研究。

前言
〉〉〉第1章绪论
1.1燃料电池发展简史1
1.1.1国际燃料电池发展简史1
1.1.2国内燃料电池发展简史4
1.2燃料电池的工作原理10
1.3燃料电池的分类及特点11
1.3.1质子交换膜燃料电池11
1.3.2直接甲醇燃料电池14
1.3.3固体氧化物燃料电池15
1.3.4碱性燃料电池16
习题18
参考文献18
〉〉〉第2章PEMFC基础理论
2.1PEMFC电化学基础20
2.1.1电极反应动力学20
2.1.2电极反应动力学表征方法26
2.2PEMFC的热力学29
2.2.1燃料电池的温度分布29
2.2.2PEMFC热力学评价30
2.3PEMFC的电荷传输33
2.3.1电极的电荷传输过程33
2.3.2电导率的物理意义34
2.4PEMFC的质量传输35
2.4.1电极物质传输过程35
2.4.2燃料电池内的水传输37
2.5PEMFC极化特性40
2.5.1极化曲线计算方法40
2.5.2极化曲线应用42
习题43
参考文献44
〉〉〉第3章PEMFC材料特性
3.1电解质材料的选择与性能评价46
3.1.1全氟磺酸质子交换膜47
3.1.2部分氟化聚合物质子交换膜52
3.1.3非氟化聚合物质子交换膜54
3.1.4复合质子交换膜55
3.2催化剂的选择与性能评价57
3.2.1催化剂57
3.2.2催化剂载体62
3.3气体扩散层的选择与评价65
3.3.1基底层66
3.3.2微孔层68
3.4双极板材料的选择与性能评价69
3.4.1石墨双极板69
3.4.2金属双极板70
3.4.3复合双极板70
3.5关键材料的耐久性与寿命评估71
3.5.1质子交换膜耐久性71
3.5.2催化剂层耐久性72
3.5.3气体扩散层耐久性74
3.5.4双极板耐久性75
3.6关键材料的应用与发展趋势76
3.6.1质子交换膜的应用与发展76
3.6.2催化剂的应用与发展79
3.6.3气体扩散层的应用与发展80
3.6.4双极板的应用与发展81
习题83
参考文献83
〉〉〉第4章PEMFC堆结构和设计
4.1电堆的组成与功能85
4.2电堆的设计与优化87
4.2.1电堆的排列方式87
4.2.2电堆的优化设计88
4.3电堆内流体动力学与传质特性98
4.3.1气体的流体动力学与传质特性98
4.3.2冷却液的流体动力学与传质特性99
4.3.3产物水的流体动力学与传质特性99
4.4电堆的热管理与控制99
4.4.1电堆内的热分布及影响因素100
4.4.2电堆的热管理控制方法101
习题102
参考文献102
〉〉〉第5章燃料电池系统集成
5.1PEMFC系统的基本构造104
5.1.1氢气供应子系统105
5.1.2空气供应子系统106
5.1.3热管理子系统107
5.1.4水管理子系统109
5.2PEMFC系统的热力学分析113
5.2.1能量分析法113
5.2.2分析法114
5.3PEMFC系统集成特性116
5.3.1PEMFC系统效率116
5.3.2PEMFC系统动力性117
5.3.3PEMFC系统成本118
5.4PEMFC系统的控制118
5.4.1PEMFC系统动态响应需求118
5.4.2PEMFC系统的控制策略119
5.4.3PEMFC系统的控制部件120
5.5PEMFC系统的数字化开发技术121
5.5.1空气压缩机建模121
5.5.2中冷器建模123
5.5.3加湿器建模125
5.5.4空气子系统集成建模127
5.5.5供氢阀建模129
5.5.6循环泵建模130
5.5.7引射器建模130
5.5.8气液分离器建模131
5.5.9氢气子系统集成建模134
5.5.10水泵建模135
5.5.11节温器建模136
5.5.12散热器建模137
5.5.13水热子系统集成建模138
5.5.14电堆建模138
5.5.15燃料电池系统集成建模140
习题141
参考文献141
〉〉〉第6章关键材料的测试技术
6.1电解质的测试方法143
6.1.1电解质厚度均匀性测试143
6.1.2质子传导率测试144
6.1.3离子交换当量测试145
6.1.4透气率测试145
6.1.5拉伸性能测试146
6.1.6溶胀率测试147
6.1.7吸水率测试148
6.2催化剂的测试方法148
6.2.1铂含量测试热重法148
6.2.2铂含量测试电感耦合等离子体光谱（ICP）法149
6.2.3电化学活性面积（ECA）测试150
6.2.4催化剂结构特征测试151
6.2.5形貌及粒径分布测试152
6.2.6晶体结构测试152
6.2.7堆密度测试153
6.3碳纸的测试方法153
6.3.1测试仪器和器具153
6.3.2碳纸厚度均匀性测试154
6.3.3电阻测试155
6.3.4机械强度测试156
6.3.5透气率测试157
6.3.6孔隙率测试158
6.3.7表观密度测试158
6.3.8面密度测试159
6.3.9表面粗糙度测试159
6.4膜电极的测试方法160
6.4.1厚度均匀性测试160
6.4.2Pt担载量测试160
6.5双极板的测试方法160
6.5.1测试仪器160
6.5.2样品准备161
6.5.3气体致密性测试161
6.5.4抗弯强度测试162
6.5.5材料密度测试162
6.5.6材料电阻测试163
6.5.7腐蚀电流密度测试164
6.5.8压降测试164
6.5.9面积利用率测试165
6.5.10厚度均匀性测试165
6.5.11平面度测试166
6.5.12重量测试166
习题167
参考文献167
〉〉〉第7章单电池的测试技术
7.1单电池的组装过程169
7.1.1装配程序169
7.1.2电池方位和气体连接169
7.1.3漏气检查169
7.2单电池通用测试平台170
7.2.1测试平台构成170
7.2.2测试平台示意图171
7.2.3测试平台的最大误差171
7.2.4测量仪器和测量方法172
7.3单电池常规性能试验方法173
7.3.1稳态试验173
7.3.2I-V特性测试173
7.3.3IR测量174
7.3.4极限电流测试174
7.3.5扩散浓差测试174
7.3.6气体计量比测试175
7.3.7温度影响测试175
7.3.8压力影响测试175
7.3.9湿度影响测试176
7.3.10燃料组成测试176
7.3.11过载测试176
7.3.12长时间运行试验176
7.3.13启动/关机循环试验176
7.3.14加载循环试验177
7.4空气中杂质对性能影响的测试方法177
7.4.1测试平台177
7.4.2反应气体准备177
7.4.3稳态运行阶段测试178
7.4.4毒化阶段测试178
7.4.5恢复阶段测试179
7.4.6数据处理179
7.5氢气中杂质对性能影响的测试方法180
7.5.1测试平台180
7.5.2反应气体准备181
7.5.3稳态运行阶段测试181
7.5.4毒化阶段测试181
7.5.5恢复阶段测试182
7.5.6数据处理182
习题182
参考文献182
〉〉〉第8章燃料电池堆的测试技术
8.1电堆的安全要求184
8.1.1通用安全要求184
8.1.2其他安全要求184
8.1.3电堆安全的试验方法184
8.2电堆的设计要求185
8.3电堆的型式检验187
8.3.1气体泄漏试验187
8.3.2正常运行试验188
8.3.3允许工作压力试验188
8.3.4冷却系统的压力试验188
8.3.5窜气试验188
8.3.6耐撞击和耐振动试验189
8.3.7电气过载试验189
8.3.8介电强度试验189
8.3.9压力差试验190
8.3.10气体泄漏试验（重复试验）190
8.3.11正常运行试验（重复试验）190
8.3.12易燃气体的浓度试验190
8.3.13冻结/解冻循环试验190
8.4电堆低温特性试验190
8.4.1低温存储试验191
8.4.2低温启动试验191
8.5电堆寿命测试评价192
8.5.1概述192
8.5.2怠速工况测试192
8.5.3额定工况测试193
8.5.4变载工况测试194
8.5.5启停工况测试195
8.5.6其他工况测试197
8.5.7性能衰减率和燃料电池使用寿命计算197
8.5.8循环工况谱的确定197
习题198
参考文献198
〉〉〉第9章燃料电池系统的测试技术
9.1燃料电池系统的安全要求200
9.1.1通用安全性200
9.1.2其他安全要求200
9.1.3系统安全的试验方法201
9.2燃料电池系统的设计要求201
9.3一般试验条件及试验要求202
9.4性能试验方法203
9.4.1冷机方法203
9.4.2热机方法203
9.4.3启动特性试验203
9.4.4额定功率试验203
9.4.5峰值功率试验204
9.4.6动态响应特性试验204
9.4.7稳态特性试验204
9.4.8紧急停机功能测试204
9.4.9燃料电池系统气密性测试205
9.4.10绝缘电阻测试205
9.4.11质量测试205
9.4.12试验数据的计算205
9.5系统氢气排放测试方法206
9.5.1测试条件206
9.5.2测试方法206
9.5.3数据处理207
9.6系统故障分类及处理方法207
9.6.1故障分类方法207
9.6.2故障分类判定原则208
9.6.3故障远程诊断210
9.6.4故障处理方法212
习题212
参考文献213
〉〉〉第10章PEMFC交通领域应用实例
10.1乘用车PEMFC应用案例215
10.1.1丰田Mirai氢燃料电池汽车的案例分析216
10.1.2长安深蓝SL03氢燃料电池汽车的案例分析218
10.2公交车PEMFC应用案例220
10.2.1宇通ZK6126FCEVG氢燃料电池公交车的案例分析220
10.2.2福田欧辉BJ6123氢燃料电池公交车的案例分析222
10.3船舶PEMFC应用案例224
10.3.1海洋变革号氢燃料电池渡轮的案例分析225
10.3.2三峡氢舟1号公务船的案例分析226
10.4货车PEMFC应用案例228
10.4.1现代XCIENT氢燃料电池货车的案例分析229
10.4.2佛山飞驰FSQ4250SFFCEV氢燃料电池半挂牵引车的案例分析230
10.5其他交通领域PEMFC应用案例231
10.5.1佛山高明有轨电车的案例分析231
10.5.2斗山DS30W氢燃料电池无人机的案例分析233
10.6氢燃料电池在交通领域面临的挑战及建议236
10.6.1面临的挑战237
10.6.2未来展望240
习题243
参考文献243