氫燃料電池多物理過程建模與仿真

叢書序
序
前言
第1章　緒論001
1.1　發(fā)展燃料電池的重大需求002
1.1.1　氫能在可再生能源體系中的重要作用002
1.1.2　燃料電池的發(fā)展歷程003
1.2　質(zhì)子交換膜燃料電池的優(yōu)勢及應(yīng)用005
1.2.1　交通運輸領(lǐng)域006
1.2.2　分布式能源006
1.3　質(zhì)子交換膜燃料電池工作原理007
1.4　質(zhì)子交換膜燃料電池基本結(jié)構(gòu)009
1.4.1　單電池基本結(jié)構(gòu)009
1.4.2　電堆基本結(jié)構(gòu)011
1.4.3　系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)014
1.5　質(zhì)子交換膜燃料電池關(guān)鍵問題及挑戰(zhàn)016
1.5.1　高功率密度016
1.5.2　高耐久性017
1.5.3　面向商業(yè)化應(yīng)用的低成本017
1.6　質(zhì)子交換膜燃料電池多物理過程建模與仿真017
參考文獻020
第2章　燃料電池熱力學及電化學理論022
2.1　熱力學理論023
2.1.1　反應(yīng)熱026
2.1.2　理論電功026
2.1.3　可逆電壓027
2.1.4　理論效率028
2.1.5　能斯特方程029
2.2　電池電壓損失與實際輸出電壓032
2.3　電化學理論034
2.3.1　反應(yīng)動力學和反應(yīng)速率034
2.3.2　巴特勒-福爾默方程035
2.3.3　塔費爾方程037
參考文獻038
第3章　燃料電池多物理場宏觀模型及仿真040
3.1　燃料電池結(jié)構(gòu)和物理過程介紹041
3.2　燃料電池三維兩相宏觀模型045
3.2.1　模型計算域選取045
3.2.2　控制方程049
3.2.3　邊界條件及求解方法063
3.2.4　燃料電池單流道模型影響特性064
3.2.5　基于單電池全尺寸模型的計算案例067
3.2.6　冷啟動過程以及三維宏觀仿真模型072
3.3　燃料電池一維宏觀模型078
3.3.1　控制方程079
3.3.2　初始條件與邊界條件081
3.3.3　模型耦合求解及驗證082
3.3.4　基于一維模型的燃料電池傳輸特征分析實例085
參考文獻090
第4章　燃料電池膜電極關(guān)鍵輸運過程模型及仿真093
4.1　質(zhì)子交換膜結(jié)構(gòu)及傳輸機理094
4.1.1　質(zhì)子交換膜簡介095
4.1.2　質(zhì)子交換膜宏觀特性參數(shù)098
4.1.3　質(zhì)子交換膜微觀尺度模型100
4.1.4　分子尺度膜的建模仿真103
4.2　催化層內(nèi)傳輸及建模仿真108
4.2.1　催化層結(jié)構(gòu)及輸運過程簡介108
4.2.2　 催化層微觀模型的應(yīng)用110
4.2.3　催化層介觀模型的應(yīng)用115
4.2.4　催化層宏觀模型的應(yīng)用120
4.3　氣體擴散層內(nèi)傳輸及建模仿真126
4.3.1　氣體擴散層結(jié)構(gòu)及輸運過程簡介126
4.3.2　氣體擴散層數(shù)值重構(gòu)133
4.3.3　氣體擴散層的VOF模型 137
4.3.4　氣體擴散層介觀模型的應(yīng)用139
參考文獻157
第5章　電堆設(shè)計與模擬仿真方法162
5.1　燃料電池電堆設(shè)計的要素163
5.1.1　電堆基本結(jié)構(gòu)163
5.1.2　電堆核心部件166
5.2　面向工程的燃料電池電堆設(shè)計方法167
5.2.1　設(shè)計思路167
5.2.2　設(shè)計實例181
5.3　燃料電池電堆等效網(wǎng)絡(luò)模型與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法190
5.3.1　流體網(wǎng)絡(luò)方法190
5.3.2　人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法205
5.4　燃料電池電堆三維數(shù)值仿真方法211
5.4.1　三維全尺寸電堆模型212
5.4.2　包含風扇的電堆三維CFD仿真219
參考文獻225
第6章　燃料電池系統(tǒng)模型及仿真方法227
6.1　燃料電池系統(tǒng)介紹228
6.1.1　燃料電池系統(tǒng)228
6.1.2　氫氣供應(yīng)回路230
6.1.3　空氣供應(yīng)回路232
6.1.4　冷卻回路234
6.2　燃料電池系統(tǒng)建模思路236
6.3　系統(tǒng)級燃料電池堆模型237
6.3.1　電堆部件模型237
6.3.2　電堆部件局部模塊模型239
6.4　系統(tǒng)內(nèi)輔助部件模型249
6.4.1　歧管模型249
6.4.2　空壓機模型250
6.4.3　氫循環(huán)裝置模型253
6.4.4　加濕器模型258
6.4.5　冷卻回路模型260
6.5　基于盲端陽極的燃料電池系統(tǒng)模擬仿真264
6.5.1　全局系統(tǒng)模型構(gòu)建264
6.5.2　輸入?yún)?shù)267
6.5.3　系統(tǒng)負載工況研究268
參考文獻271
第7章　電堆性能衰減機制及其數(shù)值仿真275
7.1　燃料電池性能衰減機制概述276
7.1.1　開路/怠速工況下的性能衰減276
7.1.2　變載工況下的性能衰減277
7.1.3　啟動/停機工況下的性能衰減281
7.2　質(zhì)子交換膜的化學降解模型285
7.2.1　自由基對質(zhì)子交換膜的攻擊285
7.2.2　過氧化氫的生成與分解288
7.2.3　各組分的傳輸過程289
7.2.4　沉淀鉑對質(zhì)子交換膜化學降解的影響292
7.2.5　傳統(tǒng)模型與改進模型的計算結(jié)果對比294
7.2.6　質(zhì)子交換膜化學降解過程分析295
7.3　鉑催化劑的降解和鉑帶生成模型297
7.3.1　鉑催化劑的降解298
7.3.2　鉑帶的生成301
7.3.3　模型驗證305
7.3.4　影響鉑降解的主要因素和鉑帶生成過程分析307
7.4　水淹導(dǎo)致的碳腐蝕模型310
7.4.1　碳腐蝕動力學模型311
7.4.2　影響碳腐蝕的主要因素314
參考文獻320
第8章　電熱氫聯(lián)供系統(tǒng)建模仿真研究323
8.1　電熱氫聯(lián)供系統(tǒng)介紹324
8.2　電熱氫聯(lián)供子系統(tǒng)建模326
8.2.1　太陽能光伏陣列模型326
8.2.2　堿性水電解槽模型327
8.2.3　金屬氫化物儲氫模型330
8.2.4　燃料電池模型332
8.3　電熱氫聯(lián)供系統(tǒng)建模仿真334
8.4　離網(wǎng)運行下系統(tǒng)電、熱、氫動態(tài)性能分析337
8.4.1　用戶電熱負荷和太陽輻照條件337
8.4.2　系統(tǒng)控制策略338
8.4.3　系統(tǒng)動態(tài)性能—夏季340
8.4.4　系統(tǒng)動態(tài)性能—冬季343
8.5　離網(wǎng)運行下系統(tǒng)能量管理策略優(yōu)化346
8.5.1　控制策略346
8.5.2　性能對比—夏季348
8.5.3　性能對比—冬季350
8.5.4　盈余能量分