本书内容特色：
简明叙述燃料电池催化层和膜理论；
包含完整、严格的热力学处理方法和电化学原理；
解决所有尺度上燃料电池材料遇到的挑战；
为先进材料的设计提供有价值的见解和指导；
促进判断方法的发展；
确定性能瓶颈，为性能提升做好准备。
该书首先介绍了燃料电池的基本概念，然后重点对聚合物电解质膜的状态、形成理论与模型、 膜内吸附与溶胀、质量传输；催化层结构与运行；催化剂性能模型以及具体的应用等进行了详细的介绍。理论性较强，较多地涉及理论知识和模型的建立等，可供从事燃料电池，尤其是聚合物电解质燃料电池研究和应用的教师、学生、科学家和工程师参考。
绪论
第1章 基本概念
1.1 燃料电池的原理和基本布局
1.1.1 燃料电池的自然界蓝图
1.1.2 电动势
1.1.3 单节电池的基本构造
1.2 燃料电池热力学
1.3 物质传输过程
1.3.1 传输过程综述
1.3.2 流道中的空气流动
1.3.3 气体扩散层和催化层中的传输
1.4 电位
1.5 热产生和传输
1.5.1 阴极催化层中的热产生
1.5.2 膜中热产生
1.5.3 水蒸气
1.5.4 热传导方程
1.6 燃料电池的催化作用简介
1.6.1 电化学催化基本概念
1.6.2 电化学动力学
1.7 聚合物电解质燃料电池中的关键材料：聚合物电解质膜
1.7.1 膜的研究
1.7.2 基础结构图
1.7.3 谁是质子最好的朋友?
1.7.4 质子和水的耦合传输
1.8 聚合物电解质燃料电池关键材料：多孔复合电极
1.8.1 催化层形貌
1.8.2 Pt的困境
1.8.3 催化层设计
1.9 Ⅰ型电极的性能
1.9.1 理想电极的运行
1.9.2 电极运行规则
1.9.3 性能模型是什么？
1.10 燃料电池模型的空间尺度
第2章 聚合物电解质膜
2.1 简介
2.1.1 聚合物电解质膜的结构和运行的基本原理
2.1.2 导电能力评估
2.1.3 PEM电导率：仅仅是组成的一个函数？
2.1.4 理解PEM结构和性能的挑战
2.2 聚合物电解质膜的状态
2.2.1 PEM的化学结构和设计
2.2.2 水的作用
2.2.3 膜的结构：实验研究
2.2.4 膜的形貌：结构模型
2.2.5 PEM中水和质子的动力学性质
2.3 PEM结构形成理论和模型
2.3.1 带电聚合物在溶液中的聚集现象
2.3.2 PEM自组装的分子模型
2.3.3 粗粒度的分子动力学模拟
2.4 膜的水吸附和溶胀
2.4.1 PEM中的水：分类体系
2.4.2 水吸附现象
2.4.3 水吸附模型
2.4.4 毛细冷凝作用
2.4.5 单孔内水吸收平衡
2.4.6 水吸附和溶胀的宏观效应
2.4.7 水吸附模型的优点和限制
2.5 质子传输
2.5.1 水中的质子传输
2.5.2 表面质子传输：为何麻烦？
2.5.3 生物学和单体中的表面质子传输
2.5.4 模拟表面质子传输：理论和计算
2.5.5 单孔内质子传输的模拟
2.5.6 界面质子动力学的原位算法
2.5.7 膜电导率的随机网络模型
2.5.8 电渗系数
2.6 结束语
2.6.1 自组装的相分离膜形态学
2.6.2 外界条件下的水吸附和溶胀
2.6.3 水的结构和分布
2.6.4 质子和水的传输机制
第3章 催化层结构与运行
3.1 质子交换膜燃料电池的能量来源
3.1.1 催化层结构与性能的基本原理
3.1.2 催化层中结构与功能的形成
3.1.3 本章的概述和目标
3.2 多孔电极的理论与建模
3.2.1 多孔电极理论简史
3.2.2 误解与存在争议的问题
3.3 如何评估CCL的结构设计？
3.3.1 粒子半径分布的统计结果
3.3.2 Pt利用率的实验评估方法
3.3.3 催化活性
3.3.4 基于原子的Pt纳米粒子利用率因子
3.3.5 统计利用率因子
3.3.6 非均匀反应速率分布：效率因子
3.3.7 氧消耗过程中的效率因子：一个简单的例子
3.4 理论和模型中的最高水平：多尺度耦合
3.5 燃料电池催化剂的纳米尺度现象
3.5.1 粒子尺寸效应
3.5.2 Pt纳米粒子的内聚能
3.5.3 电化学氧化中COad的活性和非活性位点
3.5.4 Pt纳米颗粒氧化产物的表面多向性
3.6 Pt氧还原反应的电催化
3.6.1 Sabatier-Volcano原理
3.6.2 实验观察
3.6.3 Pt氧化物形成和还原
3.6.4 ORR反应的相关机制
3.6.5 ORR反应的自由能
3.6.6 解密ORR反应
3.6.7 关键的说明
3.7 水填充纳米孔洞的ORR反应：静电效应
3.7.1 无离聚物的超薄催化层
3.7.2 具有带电金属内壁的充水孔洞模型
3.7.3 控制方程与边界条件
3.7.4 求解稳态模型
3.7.5 界面的充电行为
3.7.6 电位相关的静电效应
3.7.7 纳米孔洞模型的评价
3.7.8 纳米质子燃料电池：一种新的设计规则？
3.8 催化层的结构形式及其有效性质
3.8.1 分子动力学模拟
3.8.2 CLs原子尺度的MD模拟
3.8.3 催化层溶液中自组装结构的中等尺度模型
3.8.4 粗粒度模型中力场的参数化
3.8.5 计算细节
3.8.6 微观结构分析
3.8.7 CLs中微观结构的形成
3.8.8 重新定义催化层中的离聚物结构
3.8.9 催化层中自组装现象：结论
3.9 传统CCL的结构模型和有效属性
3.9.1 催化层结构的实验研究
3.9.2 渗透理论的关键概念
3.9.3 渗透理论在催化层性能中的应用
3.9.4 交换电流密度
3.10 结束语
第4章 催化层性能模拟
4.1 催化层性能模型的基本构架
4.1.1 催化层催化性能模型
4.1.2 催化层的水：初步准备
4.2 阴极催化层迁移和反应模型
4.3 CCL运算标准模型
4.3.1 具有恒定性能的宏观均匀理论模型
4.3.2 过渡区域：两种极限情况
4.3.3 MHM模型结构优化
4.3.4 催化层中的水：水含量阈值
4.3.5 CCL分级模型
4.4 恒定系数的MHM：解析解
4.5 理想情况下的质子转移过程
4.5.1 方程的简化及解答
4.5.2 低槽电流值(ζ01)
4.5.3 高槽电流情况(ζ01)
4.5.4 过渡区域
4.6 氧气扩散的理想状态
4.6.1 约化方程组和运动积分
4.6.2 对于ε*1和ε2*j201的情况
4.6.3 ε2*20参数值较大的情况
4.6.4 极化曲线的另一种简化形式
4.6.5 反应渗透深度
4.7 弱氧扩散极限
4.7.1 通过平面形状
4.7.2 极化曲线
4.7.3 γ的表达式
4.7.4 什么时候氧气扩散引起的电位降可以忽略不计？
4.8 氧气扩散引起的电位损失从较小到中等程度的极化曲线
4.94.4～4.7 节备注
4.10 直接甲醇燃料电池
4.10.1 DMFC中的阴极催化层
4.10.2 DMFC的阳极催化层
4.11 催化层的优化
4.11.1 引言
4.11.2 模型
4.11.3 担载量优化
4.12 催化层的热通量
4.12.1 引言
4.12.2 基本方程
4.12.3 低电流密度区域
4.12.4 高电流密度区域
4.12.5 热通量的一般方程
4.12.6 备注
第5章 应用
5.1 应用章节介绍
5.2 燃料电池模型中的聚合物电解质薄膜
5.3 PEM中水的动态吸附及流体分布
5.3.1 膜电极中水的传质
5.3.2 PEM中水渗透作用的实验研究
5.3.3 PEM中水流的非原位模型
5.4 燃料电池模型中膜的性能
5.4.1 理想条件下膜的运行性能
5.4.2 PEM运行的宏观模型：一般概念了解
5.4.3 水渗透模型的结果
5.4.4 扩散与水渗透的比较
5.4.5 膜中水分布和水流
5.4.6 总结：PEM的运行
5.5 燃料电池的性能模型
5.5.1 介绍
5.5.2 GDL中氧气的传质损失
5.5.3 流道中氧气传质导致的电压损失
5.5.4 极化曲线拟合
5.6 催化层阻抗的物理模型
5.6.1 引言
5.6.2 RC并联电路的阻抗
5.6.3 CCL的阻抗
5.6.4 混合的质子和氧气传质极限
5.6.5 DMFC阴极的阻抗
5.7 PEM燃料电池阴极的阻抗
5.7.1 模型假设
5.7.2 阴极催化层的阻抗
5.7.3 GDL内的氧气传质
5.7.4 流道内的氧气传质
5.7.5 数值解和阻抗
5.7.6 局域谱图和总谱图
5.7.7 恒定的化学计量比与恒定的氧气流
5.8 燃料分布不均导致的碳腐蚀
5.8.1 PEFCs中氢气耗竭导致的碳腐蚀
5.8.2 DMFC中由于甲醇耗尽导致的碳和Ru的腐蚀
5.9 PEM燃料电池阳极的盲点
5.9.1 模型
5.9.2 电流双电层
参考文献
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