氫燃料電池多物理過程建模與仿真

氫燃料電池多物理過程建模與仿真

屈治國 等 編

出 版 社:機械工業出版社 

頁 數:372 

出版日期:2024年01月01日 

裝 幀:精裝 

ISBN:9787111742838

內容介紹

以氫氣為燃料的質子交換膜燃料電池在交通運輸、分散式能源等領域具有巨大應用潛力，其內能量轉換和熱質傳輸現像是一個典型的多尺度、多相流、多維度的電化學與熱物理耦合過程。本書首先介紹了質子交換膜燃料電池基本原理和相關的熱力學與電化學基礎知識；其次係統介紹了燃料電池涉及的膜電極、單電池、電堆和系統多個尺度層面的「氣-水-熱-電」輸運過程的模擬模擬方法，並對膜電極衰減過程建模模擬方法進行了探討；最後給出了一種電熱氫聯供系統的建模模擬方法。

本書適合從事質子交換膜燃料電池熱質傳輸過程建模模擬技術研究、產品開發等相關學者和工程設計人員閱讀使用，還可作為高年級本科生和研究生課程參考教材，供能源動力、儲能、化學等相關學科的教師和學生使用。

目錄

序

前言

第1章　緒論001

1.1　發展燃料電池的重大需求002

1.1.1　氫能在再生能源體系中的重要角色002

1.1.2　燃料電池的發展歷程003

1.2　質子交換膜燃料電池的優點及應用005

1.2.1　交通運輸領域006

1.2.2　分散式能源006

1.3　質子交換膜燃料電池工作原理007

1.4　質子交換膜燃料電池基本結構009

1.4.1　單電池基本結構009

1.4.2　電堆基本結構011

1.4.3　系統基本結構014

1.5　質子交換膜燃料電池關鍵問題及挑戰016

1.5.1　高功率密度016

1.5.2　高耐久性017

1.5.3　面向商業化應用的低成本017

1.6　質子交換膜燃料電池多物理過程建模與模擬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　能斯特方程式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　反應動力學與反應速率034

2.3.2　巴特勒-福爾默方程式035

2.3.3　塔費爾方程式037

參考文獻038

第3章　燃料電池多物理場宏觀模型及模擬040

3.1　燃料電池結構與物理過程介紹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　控制方程式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　以單電池全尺寸模型為基礎的計算案例067

3.2.6　冷啟動過程以及三維宏觀模擬模型072

3.3　燃料電池一維宏觀模型078

3.3.1　控制方程式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　基於一維模型的燃料電池傳輸特徵分析實例085

參考文獻090

第4章　燃料電池膜電極關鍵輸運過程模型及模擬093

4.1　質子交換膜結構及傳輸機理094

4.1.1　質子交換膜簡介095

4.1.2　質子交換膜宏觀特性參數098

4.1.3　質子交換膜微觀尺度模型100

4.1.4　分子尺度膜的建模模擬103

4.2　催化層內傳輸及建模模擬108

4.2.1　催化層結構及輸運過程簡介108

4.2.2　 催化層微觀模型的應用110

4.2.3　催化層介觀模型的應用115

4.2.4　催化層宏觀模型的應用120

4.3　氣體擴散層內傳輸及建模模擬126

4.3.1　氣體擴散層結構及輸運過程簡介126

4.3.2　氣體擴散層數值重構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用139

參考文獻157

第5章　電堆設計與模擬模擬方法162

5.1　燃料電池電堆設計的要素163

5.1.1　電堆基本結構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計方法167

5.2.1　設計思路167

5.2.2　設計實例181

5.3　燃料電池電堆等效網路模型與神經網路方法190

5.3.1　流體網路方法190

5.3.2　人工神經網路方法205

5.4　燃料電池電堆三維數值模擬方法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模擬219

參考文獻225

第6章　燃料電池系統模型及模擬方法227

6.1　燃料電池系統介紹228

6.1.1　燃料電池系統228

6.1.2　氫氣供應迴路230

6.1.3　空氣供應迴路232

6.1.4　冷卻迴路234

6.2　燃料電池系統建模思路236

6.3　系統級燃料電池堆模型237

6.3.1　電堆零件模型237

6.3.2　電堆部件局部模組模型239

6.4　系統內輔助零件模型249

6.4.1　歧管模型249

6.4.2　空壓機模型250

6.4.3　氫循環裝置模型253

6.4.4　加濕器模型258

6.4.5　冷卻迴路模型260

6.5　基於盲端陽極的燃料電池系統模擬模擬264

6.5.1　全域系統模型建構264

6.5.2　輸入參數267

6.5.3　系統負載工況研究268

參考文獻271

第7章　電堆性能衰減機制及其數值模擬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　質子交換膜的化學降解模型285

7.2.1　自由基對質子交換膜的攻擊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　沉澱鉑對質子交換膜化學降解的影響292

7.2.5　傳統模型與改進模型的計算結果比較294

7.2.6　質子交換膜化學降解過程分析295

7.3　鉑催化劑的降解與鉑帶生成模型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及鉑帶生成過程分析307

7.4　水淹導致的碳腐蝕模型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　電熱氫聯供系統建模模擬研究323

8.1　電熱氫聯供系統介紹324

8.2　電熱氫聯供子系統建模326

8.2.1　太陽能光電陣列模型326

8.2.2　鹼性水電解槽模型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　電熱氫聯供系統建模模擬334

8.4　離網運轉下系統電、熱、氫動態性能分析337

8.4.1　用戶電熱負載與太陽輻照條件337

8.4.2　系統控制策略338

8.4.3　系統動態性能—夏季340

8.4.4　系統動態性能—冬季343

8.5　離網運轉下系統能量管理策略最佳化346

8.5.1　控制策略346

8.5.2　性能比較—夏季348

8.5.3　性能比較—冬季350

8.5.4　盈餘能量分析與最佳策略352

參考文獻353

附錄354

固態氧化物燃料電池動力系統技術

王雨晴 等 編

出 版 社:機械工業出版社 

頁 數:332 

出版日期:2024年03月01日 

裝 幀:精裝

ISBN:9787111738947

主編推薦

固體氧化物燃料電池（SOFC）是一種清潔、高效的發電技術，將在未來的能源、電力、運輸等國家經濟領域中發揮重要作用。 SOFC發電過程突破卡諾循環的，發電效率可達50%以上，同時其廢氣餘熱能級高，可進一步與燃氣渦輪機結合組成混合動力系統，系統發電效率可達80%以上，被公認為是擁有潛力的動力發電技術之一。此外，SOFC高溫操作使其可利用煤氣化合成氣、天然氣甚至汽油、柴油等作為燃料，在發電過程中避免高污染的燃燒環節，能夠實現污染物近零排放及CO2高濃度富集，是面向碳中及及動力系統減量需求的變革性碳基燃料發.....

內容簡介

本書針對SOFC及其動力系統，介紹了高溫電化學動力發電領域的相關基礎、關鍵技術與前沿方向。具體來說，本書首先介紹了動態負載的SOFC電池及電堆技術，如金屬支撐SOFC、管式SOFC、微管式SOFC（第2～4章主要內容）；隨後探討了面向性能及壽命提升的SOFC多物理場管控與檢測診斷技術（第5章主要內容）；最後闡述了以系統為導向的燃料處理、整合控制、應用技術等（第6、8、9章主要內容），此外，本書也以航空動力領域為例闡述了SOFC在典型動力系統中的應用（第7章主要內容）。

本書主要針對高等院校、研究機構以及相關企業從事固體氧化物燃料電池研究與應用工作的讀者。本書既可作為能源動力相關專業的研究生教材，也可作為固體氧化物燃料電池動力系統研發的參考書籍。

目錄

叢書編委會

叢書序

序

前?言

第1章　緒論001

1.1　SOFC工作原理002

1.2　SOFC應用領域與發展現況004

1.3　SOFC動力系統挑戰005

參考文獻006

第2章　金屬支撐SOFC007

2.1　概述008

2.1.1　結構及技術特性008

2.1.2　技術現況009

2.2　金屬材質及其防護技術013

2.2.1　支撐體材料013

2.2.2　支撐體加工方法017

2.2.3　連接體021

2.3　電解質製備方法025

2.3.1　低溫燒結製備技術026

2.3.2　塗層製備技術030

2.4　電堆整合及應用048

2.4.1　典型金屬支撐電堆整合關鍵技術048

2.4.2　電堆整合現況052

參考文獻056

第3章　管式SOFC063

3.1　發展概況065

3.2　管式SOFC材料與製備製程066

3.2.1　陰極支撐管式SOFC066

3.2.2　陽極支撐管式SOFC069

3.3　管式SOFC組堆與系統整合技術075

3.3.1　組堆技術075

3.3.2　系統整合技術079

3.4　穩/動態特性084

3.4.1　管式SOFC單元參數分佈特性 084

3.4.2　管式SOFC發電特徵 086

3.4.3　管式SOFC發電系統穩/動態特性 089

3.5　動力系統中的典型應用091

參考文獻092

第4章　微管式SOFC095

4.1　發展概況096

4.2　製備製程097

4.2.1　支撐體製備097

4.2.2　電解質膜製備099

4.2.3　燒結特性100

4.3　批量化生產102

4.3.1　擠出成形法製備陽極管104

4.3.2　功能薄膜104

4.3.3　批量燒結105

4.4　組堆技術107

4.4.1　密封解決方案107

4.4.2　集流設計及實施111

4.4.3　廢氣催化處理114

4.5　穩態/動態性能116

4.5.1　啟動時間和冷熱循環116

4.5.2　穩態-動態性能118

4.6　行動便攜系統中的典型應用121

參考文獻124

第5章　SOFC電堆多物理場管控與檢測診斷129

5.1　多尺度模擬技術130

5.1.1　電極反應機制模型130

5.1.2　電池單元模擬137

5.1.3　電堆模擬151

5.2　電堆熱管理156

5.2.1　電堆產熱與散熱機制157

5.2.2　電堆熱管理技術157

5.3　性能檢測與故障診斷技術160

參考文獻164

第6章　SOFC動力系統與應用167

6.1　系統結構168

6.1.1　燃料供給與處理子系統169

6.1.2　發電子系統169

6.1.3　熱管理子系統169

6.1.4　電力調控子系統171

6.2　典型系統設計與整合171

6.2.1　SOFC-電池動力系統172

6.2.2　SOFC-熱機混合循環動力系統172

6.3　典型SOFC動力系統模擬174

6.3.1　零維BOP部件模型174

6.3.2　SOFC模型179

6.3.3　其他SOFC模型及系統模擬185

6.4　新型SOFC與應用188

6.4.1　直接火焰燃料電池188

6.4.2　直接氨燃料電池196

參考文獻201

第7章　SOFC在航空動力領域的應用211

7.1　飛行汽車等航空領域運載工具對動力的需求212

7.1.1　飛行汽車簡介212

7.1.2　飛行汽車運行特性及對動力的需求214

7.2　固態氧化物燃料電池在航空動力的應用218

7.2.1　NASA格林中心SOFC航空動力研究219

7.2.2　高抗熱震性固態氧化物燃料電池研究222

7.2.3　SOFC/GT航空動力系統模擬研究 224

7.3　固態氧化物燃料電池渦電動力227

7.3.1　 SOFC渦電動力概述 227

7.3.2　SOFC渦電動力熱力學模型 229

7.3.3　SOFC渦電動力系統參數敏感度分析與設計 232

7.4　應用於航空動力的SOFC小結與展望236

7.4.1　高壓力條件下穩定運轉的SOFC電堆研發 236

7.4.2　大功率高功率密度SOFC動力系統研究237

7.4.3　SOFC渦電動力熱管理研究238

參考文獻239

第8章　燃料處理技術243

8.1　燃料前處理技術244

8.1.1　前處理技術介紹244

8.1.2　不同燃料的前處理技術252

8.1.3　積炭260

8.2　廢氣後處理技術263

參考文獻265

第9章 　SOFC動力系統控制275

9.1　安全運轉區域276

9.2　部分負載和非設計工況運行280

9.3　動態機理模型與負載跟隨284

9.3.1　動態機制模型285

9.3.2　負載跟隨286

9.4　動態模型辨識289

9.5　控制策略與控制器設計296

9.5.1　控制策略296

9.5.2　分散控制303

9.5.3　集中控制307

9.6　半實物模擬310

參考文獻311

氫能及質子交換膜燃料電池動力系統 燃料電池複合電源系統

魏學哲 等 著

出 版 社:機械工業出版社 

頁 數:284 

出版日期:2024年01月01日 

裝 幀:精裝

ISBN:9787111736745

内容介紹

車用燃料電池經過二十多年的發展，性能有了長足的進展，已經可以滿足交通工具用動力系統的大部分性能需求，但圍繞進一步提高燃料電池性能、延長壽命和降低成本的研究仍然任重道遠。本書系統介紹了氫能及燃料電池動力系統基礎知識，從能量轉換角度完整介紹了燃料電池汽車的動力系統各個環節能量轉換和變換的基本原理，提出了燃料電池汽車動力系統中電化學複合電源這個重要概念，介紹了電化學電源的原理、質子交換膜燃料電池和鋰離子電池的結構，深入介紹了基於機理的電化學電源建模的方法、氫電複合及多模塊複合的電源設計技術、複合電源狀態估計及管控技術等。在車用燃料電池技術和產業發展的牽引下和可再生能源發電技術的推動下，氫能的重要性日益凸顯，本書介紹了支撐燃料電池汽車所需的氫能的製備、儲存、運輸、加註等關鍵技術的發展現狀、存在的重大挑戰等。最後，對基於再生能源發電氫及氫電二元網絡的建構做出了展望，並提出了基於綠色氫和綠色電力的零碳交通能源系統的構思。

本書適合從事燃料電池技術、鋰離子電池技術、氫能技術及新能源汽車動力系統研究開發的科學研究人員及工程師學習參考，也可作為高等院校汽車相關專業師生的參考用書。

目錄

叢書序

序（一）

序（二）

前?言

第1章　燃料電池汽車及其能量轉換

1.1　燃料電池汽車002

1.1.1　車輛電動化路徑002

1.1.2　燃料電池及燃料電池汽車的發展歷程003

1.1.3　燃料電池汽車動力系統012

1.2　燃料電池汽車動力系統中的電力來源014

1.2.1　燃料電池的原理及其能量轉換014

1.2.2　燃料電池發電系統015

1.3　燃料電池汽車動力系統中的電力儲存018

1.3.1　鋰離子電池原理及其能量儲存018

1.3.2　鋰離子電池儲能係統022

1.4　燃料電池汽車動力系統中的電能複合023

1.4.1　電流變換的基本原理023

1.4.2　電化學電源的複合024

1.4.3　電化學電源的管控026

1.5　燃料電池汽車動力系統中的機電能量轉換027

1.5.1　馬達中的電磁能量轉換027

1.5.2　交流馬達的向量控制031

1.5.3　電流逆變及其調製033

1.5.4　馬達與電力驅動整合035

1.6　氫能與交通能源的零碳化038

1.6.1　交通零碳化的需求及其路徑038

1.6.2　氫能的概念及其特性039

1.6.3　燃料電池汽車動力系統與能源供給系統的同構性041

1.6.4　綠氫和燃料電池推動交通零碳化042

第2章　燃料電池汽車電化學電源原理及建模

2.1　電化學電源基本原理045

2.1.1　熱力學基礎與電壓的產生045

2.1.2　電化學基礎與極化051

2.1.3　電壓損耗機制與電池內阻056

2.1.4　電化學電源的電極與電極過程061

2.2　燃料電池機制模型063

2.2.1　燃料電池內部的物質守恆模型065

2.2.2　燃料電池的電中性電荷守恆074

2.2.3　燃料電池的電極過程074

2.3　鋰離子電池機制模型076

2.3.1　鋰離子電池內部的物質守恆模型079

2.3.2　鋰離子電池的電中性電荷守恆081

2.3.3　鋰離子電池的電極過程082

2.4　電化學電源的外在特性088

2.4.1　工作電壓088

2.4.2　工作溫度089

2.4.3　能量和功率密度090

2.4.4　使用壽命091

2.4.5　安全性091

第3章　電化學複合電源系統架構及構成

3.1　電化學複合電源的基本架構093

3.1.1　電化學電源複合的必要性093

3.1.2　電化學電源的複合模式094

3.1.3　電化學複合電源系統的架構095

3.2　燃料電池堆與系統099

3.2.1　燃料電池堆結構099

3.2.2　空氣供給系統105

3.2.3　氫氣供給系統108

3.2.4　熱管理系統113

3.2.5　燃料電池引擎控制系統114

3.3　鋰離子電池組與系統116

3.3.1　單體電池116

3.3.2　電池模組與電池包119

3.3.3　熱管理系統121

3.3.4　電池管理系統125

3.4　電化學複合電源的電能變換器130

3.4.1　電力電子裝置130

3.4.2　隔離型DC/DC變換器133

3.4.3　非隔離型DC/DC變換器135

3.4.4　Boost型多相交錯並聯DC/DC變換器137

第4章 　電化學複合電源系統設計

4.1　複合電源設計關鍵技術145

4.1.1　複合電源系統的最佳化設計原則145

4.1.2　準穩態模式下複合電源系統的最佳化146

4.1.3　全溫域高效率熱管理設計149

4.1.4　複合電源在線阻抗測量150

4.2　基於DC/DC變換器的寬頻在線阻抗測量案例152

4.2.1　交變激勵源需求分析152

4.2.2　交變激勵源拓樸選型與參數計算153

4.2.3　電流與電壓取樣電路設計155

4.2.4　交錯並聯Boost變換器及驅動電路設計157

4.2.5　在線阻抗測量結果158

4.3　大功率多模組複合電源設計案例161

4.3.1　350kW級燃料電池複合電源系統161

4.3.2　主功率高壓系統方案162

第5章　電化學複合電源系統管控

5.1　複合電源管控需求167

5.1.1　燃料電池系統運作特性及需求167

5.1.2　鋰離子電池系統運作特性及需求172

5.1.3　複合電源運轉特性及需求174

5.2　燃料電池系統管控176

5.2.1　反應物狀態估計176

5.2.2　水狀態估計176

5.2.3　水含量故障診斷185

5.3　鋰離子電池系統管控196

5.3.1　荷電狀態估計196

5.3.2　其他狀態估計207

5.4　複合電源系統管控208

5.4.1　高低溫熱管理208

5.4.2　多目標最佳化管理216

5.4.3　線上故障診斷220

第6章　氫電複合的零碳交通能源體系

6.1　交通能源及其零碳化需求224

6.2　綠氫能技術225

6.2.1　綠氫的製取225

6.2.2　其他氫氣生產方式及其比較230

6.2.3　氫氣的儲存234

6.2.4　氫氣的運輸238

6.2.5　加氫站技術240

6.3　綠色電能技術246

6.3.1　綠色發電技術246

6.3.2　電能儲存技術251

6.4　基於氫電耦合二元網路的能源運輸256

6.4.1　大規模綠色電力傳輸256

6.4.2　大規模綠色氫能的管道傳輸260

6.4.3　氫電二元耦合的傳輸模式261

6.5　零碳交通能源網路263

6.5.1　電動車的電氫補能263

6.5.2　氫電耦合的零碳交通能源模型266

6.5.3　零碳交通能源網路發展與展望267

參考文獻

質子交換膜燃料電池堆

明平文,李冰 編

出 版 社:機械工業出版社 

頁 數:436 

出版日期:2024年02月01日

裝 幀:精裝

ISBN:9787111738312

內容簡介

質子交換膜燃料電池堆（簡稱電堆）是氫能載運工具及熱電聯供電系統的核心裝置。近年來，汽車用燃料電池相關基礎理論和共通性技術發展得很快，質子交換膜燃料電池堆步入了商業化前期軌道。本書首先介紹了電堆概述、電堆的工作原理與指標，其次介紹了電堆的性能設計、電堆的使用特性與系統匹配、電堆的壽命與可靠性保障、電堆典型故障成因及修正預防措施、電堆的製造流程與品質監測等相關基礎共通技術，最後提出了電堆材料的進階需求，並列舉了電堆的概念設計流程。本書融合了電堆理論知識與作者十餘年的工程實務經驗，極具現實指導意義。

本書可供高等院校師生、製造企業和研究機構的工程技術研究人員及對電堆製造感興趣的讀者閱讀。

作者簡介

明平文，博士，教授，國務院特殊津貼專家，國家萬人計劃“中青年科技創新領軍人才”，遼寧省優秀專家，大連市政府特殊津貼專家，遼寧省“十大傑出青年”，十四五“新能源汽車燃料電池動力系統」重點項目專家小組組長。主要從事燃料電池中傳遞現象及水熱管理研究，組織、主持質子交換膜燃料電池電堆與氫噴射器、空氣增濕器等核心元件開發、系統整合設計及調試運轉。國內首次提出增壓車用燃料電池系統及金屬薄板沖壓成型雙極板電堆等概念，首次實現氫/氧燃料電池動力的深潛器海試運行20餘次，首次完成10千瓦級重整器-燃料電池系統熱電聯供3000小時實驗。

目錄

叢書序

前?言

第1章 　概述

1.1　質子交換膜燃料電池簡史006

1.2　我國PEMFC發展簡史008

1.3　PEMFC分類010

1.3.1　不同方式的分類010

1.3.2　典型的應用系統架構013

1.4　PEMFC的電堆結構018

1.4.1　電堆模組018

1.4.2　供氣分配機構021

1.4.3　電堆緊固結構024

1.4.4　電堆絕緣結構026

1.4.5　電堆密封結構027

1.4.6　單電池027

參考文獻　028

第2章　電堆的工作原理與指標

2.1　電極過程032

2.1.1　電極過程熱力學035

2.1.2　電極過程動力學038

2.1.3　極化過程及伏安曲線041

2.2　水熱管理043

2.2.1　水與熱的生成043

2.2.2　水的氣液兩相048

2.2.3　水熱狀態與離子電導049

2.3　導電與導熱051

2.3.1　電子傳輸與內電阻051

2.3.2　熱傳導與內部溫度052

2.4　物質傳遞過程059

2.4.1　反應與吸附059

2.4.2　水在膜中的輸運060

2.4.3　跨尺度擴散063

2.4.4　液態水的排除064

2.5　流體分佈特性065

2.5.1　二維流場分佈066

2.5.2　三維流場分佈071

2.5.3　非線性分佈074

參考文獻　075

第3章　電堆的性能設計

3.1　電堆的性能要求與結構082

3.1.1　堆疊技術簡介082

3.1.2　電堆疊要求及關鍵零件083

3.2　單元電池反應區的設計086

3.2.1　極化曲線的展開標定與目標設定086

3.2.2　活化極化的改良088

3.2.3　歐姆極化的改良089

3.2.4　傳質極化的改良091

3.2.5　傳熱與熱交換結構092

3.2.6　體積功率密度的提升093

3.3　單元電池導流區的設計095

3.4　單元電池流場區的設計096

3.5　電堆總孔、恆溫與節間分配設計101

3.6　電堆密封結構與夾持設計102

3.7　電堆導電結構與絕緣措施106

3.7.1　電堆導電結構106

3.7.2　電堆絕緣措施106

參考文獻　109

第4章　電堆的使用特性與系統匹配

4.1　電堆的電容特性與電路相符112

4.1.1　電力調節112

4.1.2　電力轉換114

4.1.3　監控系統115

4.1.4　電力供給管理系統115

4.1.5　電容特性116

4.2　電堆的供氣系統與壓力相符117

4.2.1　氫氣供給子系統117

4.2.2　空氣供給子系統120

4.2.3　壓力控制與匹配123

4.3　電堆的測試系統與條件模擬124

4.3.1　測試系統的構成125

4.3.2　測試系統的調試127

4.3.3　測試工況127

參考文獻　128

第5章　電堆的壽命與可靠性保障

5.1　反應劑雜質引起的失效與因應措施132

5.1.1　空氣雜質所引起的失效與應對133

5.1.2　氫氣雜質引起的失效與因應138

5.1.3　冷卻劑雜質引起的失效與應對147

5.2　低溫環境導致的「結冰」損傷與自啟動技術149

5.2.1　停機殘存水結冰造成的損傷149

5.2.2　排水結構改良與停機操作對策153

5.2.3　低溫自啟動策略與材料選擇155

5.3　流體工況引起的衰退與損傷158

5.3.1　膜兩側壓差引起的形變與剪切損傷158

5.3.2　進氣乾濕及其交變引起的氫滲163

5.3.3　壓力與溫度控制失效所造成的損傷166

5.4　負載工況所引起的衰退與抑制技術168

5.4.1　催化劑、載體及質子導體電化學衰退機制168

5.4.2　啟停工況衰退誘因與因應策略175

5.4.3　變載工況衰退誘因與因應策略177

5.4.4　怠速工況衰退誘因與因應策略179

5.5　電堆材料衰變產物所造成的失效與診斷180

5.5.1　金屬離子滲出物與離子導體污染180

5.5.2　有機碎片溶離與催化劑污染182

參考文獻　184

第6章　電堆典型故障成因及矯正預防措施

6.1　高電位198

6.1.1　怠速點的高電位198

6.1.2　啟停過程的氫空界面199

6.1.3　高電位的矯正預防措施—吹掃策略的研究201

6.1.4　小結206

6.2　反應物飢餓206

6.3　水管理208

6.3.1　水管理的影響208

6.3.2　水管理的策略212

6.4　熱管理213

6.5　CO中毒214

6.5.1　CO中毒的影響214

6.5.2　CO中毒的改善216

6.6　低溫冷啟動218

6.6.1　低溫冷啟動的影響218

6.6.2　快速低溫冷啟動策略的研究218

6.7　可逆性衰退與性能恢復方法研究226

6.7.1　可逆性衰退的影響226

6.7.2　電堆可逆性衰退及加速衰退拐點的研究228

6.7.3　小結240

6.8　電堆節間與節內非一致性衰退的研究240

6.8.1　測試對象、設備及方法241

6.8.2　結果與討論244

6.8.3　小結256

參考文獻　257

第7章　電堆的製造流程與品質監測

7.1　電堆製造的總流程264

7.1.1　電堆製造流程概述264

7.1.2　製程分區與車間條件270

7.2　催化層製造製程275

7.2.1　催化劑漿料製備275

7.2.2　催化劑漿料塗佈與乾燥286

7.3　擴散介質製造製程310

7.3.1　疏水支撐層製備310

7.3.2　微孔層製備317

7.4　膜電極組件製造製程322

7.4.1　質子交換膜323

7.4.2　催化層325

7.4.3　微孔層326

7.4.4　雙極板327

7.5　雙極板製造流程327

7.5.1　模壓膨脹石墨雙極板327

7.5.2　石墨/金屬複合雙極板328

7.5.3　金屬薄板沖壓雙極板331

7.6　密封件製造流程333

7.7　電堆組裝過程333

7.8　電堆活化過程338

7.9　電堆儲存與運輸342

參考文獻　343

第8章　電堆材料的進階需求

8.1　質子傳導電解質與隔膜358

8.1.1　質子傳導電解質與隔膜概述358

8.1.2　全氟磺酸質子交換膜358

8.1.3　其他質子交換膜362

8.2　電催化劑364

8.2.1　電催化劑概述364

8.2.2　Pt基催化劑365

8.2.3　非Pt基催化劑369

8.2.4　催化劑載體370

8.2.5　催化劑的製備與表徵374

8.3　GDL基材376

8.3.1　材料與組件377

8.3.2　GDL的機械性能380

8.3.3　GDL的親水性/疏水性384

8.3.4　GDL的導電性和導熱性384

8.3.5　GDL表面形態385

8.3.6　GDL電化學特性386

8.3.7　GDL製造方法387

8.3.8　GDL研究、發展與商業化趨勢392

8.4　雙極板基材393

8.4.1　雙極板的特性與功能393

8.4.2　PEMFC流場設計模型394

8.4.3　雙極板的材料與改質394

8.4.4　不銹鋼和塗層395

8.4.5　有色合金和塗層397

8.4.6　雙極板的製作398

參考文獻　399

第9章　電堆概念設計流程

9.1　電堆概念設計406

9.2　電堆的組成及功能407

9.3　客戶需求及目標分解408

9.4　膜電極組件設計409

9.5　雙極板設計411

9.6　輔助零件設計414

9.6.1　集流板414

9.6.2　端板415

9.7　電堆組裝製程設計417

9.8　工程驗證419

9.8.1　運轉條件驗證419

9.8.2　電堆發電性能驗證420

9.8.3　耐久性驗證420

9.8.4　可靠度驗證422

參考文獻　424

質子交換膜燃料電池系統及其控制

戴海峰,餘卓平,袁浩 著

出 版 社:機械工業出版社 

頁 數:304 

出版日期:2024年01月01日 

裝 幀:精裝

ISBN:9787111740964

内容介紹

燃料電池系統是一個複雜的電-氣-熱耦合系統，對燃料電池系統有效控制是提高其工作效率和可靠性、延長其使用壽命的關鍵之一。本書基於燃料電池系統的工作原理，闡述了燃料電池系統整合與控制中的關鍵技術問題；詳細介紹了燃料電池系統整合設計與匹配，並進一步研究了燃料電池系統的關鍵子系統與零件特性；在此基礎上，系統地研究了燃料電池進氣子系統控制技術、熱管理子系統控制技術、低溫冷啟動優化控制技術與燃料電池系統狀態識別及老化預測技術，並給出了燃料電池控制系統的軟硬件設計方法；最後對下一代燃料電池控制系統技術的發展趨勢進行了展望。

本書適合燃料電池汽車及燃料電池系統相關的研發人員、管理人員，以及相關專業的老師和學生閱讀參考。

目錄

叢書序

本書序

前?言

第1章　燃料電池系統原理及控制001

1.1　背景002

1.2　燃料電池003

1.2.1　燃料電池型003

1.2.2　燃料電池結構及基本工作原理004

1.3　燃料電池系統006

1.4　燃料電池系統控制008

1.4.1　空氣供給子系統控制009

1.4.2　氫氣供給子系統控制010

1.4.3　熱管理子系統控制011

1.4.4　低溫冷啟動控制012

1.5　本章小結013

第2章 　質子交換膜燃料電池特性014

2.1　燃料電池特性的常用電化學表徵方法015

2.2　燃料電池穩態特性017

2.2.1　試驗對象017

2.2.2　穩態試驗結果019

2.3　燃料電池動態特性022

2.4　燃料電池阻抗特性027

2.4.1　電化學阻抗定義027

2.4.2　電化學阻抗譜解析030

2.4.3　基於電化學阻抗譜的動力學分析033

2.4.4　動力學損失敏感度分析043

2.5　燃料電池冷啟動過程特性045

2.5.1　試驗環境與流程046

2.5.2　單體電池恆溫冷啟動過程特性048

2.5.3　電堆升溫冷啟動過程特性052

2.6　燃料電池單體內異質性特性056

2.6.1　面內異質性特徵057

2.6.2　面內異質性試驗058

2.6.3　面內異質性分析059

2.7　燃料電池堆單體間不一致特性066

2.7.1　燃料電池堆單體不一致性試驗066

2.7.2　燃料電池堆單體不一致性表現規律068

2.7.3　燃料電池堆單體不一致性分析069

2.8　本章小結073

第3章　燃料電池系統整合設計074

3.1　燃料電池系統架構及整合075

3.1.1　空氣供給子系統架構及整合075

3.1.2　氫氣供給子系統架構及整合077

3.1.3　熱管理子系統架構及整合079

3.2　燃料電池系統的電氣架構及整合081

3.2.1　高壓電氣架構及整合081

3.2.2　低壓電氣架構及整合081

3.3　燃料電池系統匹配設計084

3.3.1　空氣供給子系統匹配設計084

3.3.2　氫氣供給子系統匹配設計089

3.3.3　熱管理子系統匹配設計094

3.3.4　DC/DC轉換器選型與匹配098

3.4　本章小結100

第4章　燃料電池進氣控制101

4.1　燃料電池系統建模102

4.1.1　燃料電池堆建模103

4.1.2　輔助零件建模110

4.2　燃料電池系統模型參數辨識115

4.2.1　模型參數辨識方法115

4.2.2　燃料電池系統模型參數辨識結果119

4.3　空氣流量-壓力控制演算法125

4.3.1　空氣流量-壓力解耦控制125

4.3.2　基於標定的前饋PID串級控制138

4.4　氫氣壓力控制演算法146

4.4.1　基於模糊PI的氫氣壓力控制146

4.4.2　氫氣壓力控制結果149

4.5　本章小結154

第5章　燃料電池溫度控制155

5.1　熱管理子系統建模156

5.1.1　電堆產熱模型157

5.1.2　冷卻系統模型158

5.2　模型參數辨識與驗證161

5.3　基於自適應模型預測控制的熱管理165

5.3.1　多工況點熱管理子系統模型線性化165

5.3.2　預測控制原理168

5.4　燃料電池溫度控制結果171

5.4.1　溫度控制的適應性分析171

5.4.2　WLTC工況下的溫度控制結果比較174

5.5　本章小結176

第6章　燃料電池冷啟動優化控制177

6.1　低溫冷啟動過程機制模型178

6.1.1　模型控制方程式179

6.1.2　模型中的關鍵參數測量與辨識184

6.2　冷啟動機理模型驗證與誤差分析190

6.2.1　冷啟動失敗工況下的結果比較分析191

6.2.2　冷啟動成功工況下的結果比較分析194

6.2.3　低溫冷啟動模型模擬誤差來源總整理196

6.3　低溫冷啟動策略最佳化197

6.3.1　基於粒子群最佳化演算法的策略最佳化方法197

6.3.2　膜含水量已定的快速冷啟動策略最佳化199

6.3.3　膜含水量未定的快速冷啟動策略最佳化203

6.3.4　-30℃下快速冷啟動策略最佳化205

6.3.5　冷啟動策略優化前後比較分析208

6.4　本章小結209

第7章　燃料電池狀態辨識及老化預測210

7.1　燃料電池內部狀態估計211

7.1.1　系統狀態方程式及參數辨識211

7.1.2　氧氣過量係數計算原理216

7.1.3　內部狀態觀測器設計217

7.1.4　狀態觀測器結果及最佳化224

7.2　燃料電池內部故障識別231

7.2.1　燃料電池故障資料集建立231

7.2.2　基於混合深度學習的燃料電池內部故障識別236

7.2.3　燃料電池內部故障辨識結果245

7.3　燃料電池老化預測249

7.3.1　燃料電池健康狀況指標249

7.3.2　基於模態分解和深度學習的短時衰減預測251

7.3.3　燃料電池短時衰減預測結果255

7.4　本章小結261

第8章　燃料電池控制系統設計262

8.1　控制系統的一般軟體架構263

8.2　輸入輸出模組265

8.3　模式管理模組265

8.3.1　系統上電狀態控制266

8.3.2　系統預備狀態控制266

8.3.3　系統啟動狀態控制266

8.3.4　系統運作狀態控制270

8.3.5　系統關機狀態控制270

8.4　子系統控制模組272

8.5　狀態辨識及故障診斷模組274

8.6　本章小結275

第9章　燃料電池系統控制的發展趨勢276

9.1　先進智慧感測技術提升管控的資訊維度及空間尺度277

9.2　資料驅動的智慧技術提升管控的效能及時間尺度279

9.3　本章小結281

參考文獻282