燃料电池构造与工作原理

能源与环境问题是21世纪人类社会发展面临的核心挑战。开发清洁、高效、可持续的能源转换技术，是推进碳达峰碳中和、保障国家能源安全、推动经济绿色转型的关键。燃料电池技术作为实现能源清洁化、低碳化转型的核心路径之一，对其进行系统研究具有深远的科学价值与迫切的现实意义。实践经验表明，燃料电池的性能与使用寿命高度依赖其内部精密构造（包括电极、电解质、双极板）与复杂物理化学过程（包括电催化、传质、传热、电荷传导）的协同作用。揭示燃料电池;黑箱本质、解构其构造_功能关联，对于突破燃料电池性能瓶颈，加速其产业化进程具有重要意义。 ??近年来，全球范围内燃料电池技术的基础研究与产业化进程均取得了长足进步。燃料电池技术集成了电化学、材料化学、热力学、流体力学等多学科知识，体系复杂且更新迅速，给相关领域的研究人员和学生带来了不小的挑战。目前，虽然已有大量优质学术论文和综述文献，但能够系统全面、深人浅出地阐述燃料电池从基础理论到工程应用各个环节的专著仍相对匮乏，本书正是在这一背景下撰写而成。 ??本书聚焦于燃料电池技术的核心物理载体与能量转化本质，作者在编写过程中充分考虑读者的需求，从讲解燃料电池组成与优势的视角，对燃料电池工作原理、不同组件结构组成与性能内在关系展开深度剖析。本书内容既有理论支撑，又有实际案例，能帮助读者在阅读过程中掌握专业知识、获取实际操作经验。在结构安排上，本书采用创新性的模块化设计，围绕固体氧化物燃料电池、质子交换膜燃料电池及微流体燃料电池设立三个部分。各部分既相互独立，又相互关联。这种设计便于读者开展系统性学习，能满足其按需查阅的需求，具有较高的实用价值。 ??本书是集体智慧的结晶，汇集了国内外多位长期奋战在燃料电池科研与产业一线专家们的宝贵经验。本书引用了大量文献，作者在此向所有文献作者致以由衷的敬意。在引用过程中难免存在遗漏的情况，敬请相关作者谅解。 ??由于作者水平有限，书中难免存在不妥之处，恳请广大读者批评指正。 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????作者 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????2026年5月

本书系统阐述了燃料电池的核心构造与能量转化机制，内容包括固体氧化物燃料电池、质子交换膜燃料电池及微流体燃料电池三个部分，涉及三类燃料电池的细分类型、工作温度范围、具体应用场景、国内外研究进展等内容，兼顾基础与创新，可帮助读者掌握燃料电池核心技术，推动清洁能源技术的发展与应用。

燃料电池作为一种清洁、高效、可持续的能量转化装置，正深刻改变着能源利用格局。 本书系统阐述了燃料电池的核心构造与能量转化机制，内容包括固体氧化物燃料电池、质子交换膜燃料电池及微流体燃料电池三个部分，涉及三类燃料电池的细分类型、工作温度范围、具体应用场景、国内外研究进展等内容，兼顾基础与创新，旨在帮助读者掌握燃料电池核心技术，推动清洁能源技术的发展与应用。 本书可为燃料电池基础科学问题提供理论指导，为燃料电池的工程应用提供系统参考。本书的使用对象包括高等院校新能源汽车工程、能源与动力工程、化学工程、材料科学与工程等相关专业的本科生与研究生，科研院所及企业研发中心从事燃料电池相关研究的研究人员，以及对清洁能源技术有浓厚兴趣并具备一定知识基础的爱好者。

李丽，博士，教授，江苏理工学院硕士研究生导师，江苏高校;青蓝工程中青年学术带头人。主要从事新能源器件开发工作。主持国家自然科学基金、江苏省自然科学基金等各类科研项目10余项；发表学术论文70余篇；获授权发明专利30余项；获省级科研奖项4项。王晓春，博士，副教授，江苏理工学院硕士研究生导师。主要从事固体氧化物燃料电池与传感器件开发。入选江苏省;双创博士及;科技副总人才计划。主持并参与科研项目7项、教研课题2项；发表学术论文10余篇；获授权发明专利5项。孙艳云，博士，江苏理工学院硕士研究生导师。主要从事新能源材料开发。主持并参与科研项目5项、教研课题3项；江苏省青年科技人才托举工程资助对象；发表学术论文10余篇；获授权发明专利8项。张兰春，博士，教授，江苏理工学院硕士研究生导师，江苏省;333高层次人才培养工程第三层次培养对象，江苏省;六大人才高峰高层次人才选拔培养对象，江苏高校;青蓝工程优秀青年骨干教师培养对象，江苏高校;青蓝工程优秀教学团队负责人。主要从事新能源汽车动力传动控制、汽车轻量化设计等方面的研究。主持完成国家自然科学基金项目1项、省部级项目2项、江苏省高校自然科学基金项目2项、企业委托开发课题4项；相关研究成果通过中国机械工业联合会鉴定4项；以第一完成人获得中国机械工业科学技术奖三等奖2项；发表学术论文20余篇；获授权发明专利20余项。

第1章固体氧化物燃料电池11.1固体氧化物燃料电池简介11.2 SOFC商业化应用概况51.3 SOFC关键材料71.4密封材料121.5金属连接体171.6 SOFC结构类型与电堆231.7电堆性能测试30参考文献33第2章质子交换膜燃料电池372.1系统与组件372.2质子交换膜412.3气体扩散层572.4电催化剂672.5双极板772.6未来发展方向83参考文献85第3章 微流体燃料电池933.1微流体燃料电池基础933.2 MFC传质受限问题研究现状963.3 MFC的数值仿真1023.4 MFC内部传质机理研究1073.5 MFC多孔电极性能优化策略1113.6多孔电极型MFC放电性能优化方案设计1183.7 纸基自泵MFC电堆132参考文献141