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本书旨在为对燃料电池多物理场建模感兴趣的读者提供参考。
内容简介
以氢气为燃料的质子交换膜燃料电池在交通运输、分布式能源等领域具有巨大应用潜力，其内能量转换和热质传输现象是一个典型的多尺度、多相流、多维度的电化学与热物理耦合过程。
本书首先介绍了质子交换膜燃料电池基本原理和相关的热力学与电化学基础知识；其次系统介绍了燃料电池涉及的膜电极、单电池、电堆和系统多个尺度层面的“气-水-热-电”输运过程的模拟仿真方法，并对膜电极衰减过程建模仿真方法进行了探讨；最后给出了一种电热氢联供系统的建模仿真方法。
本书适合从事质子交换膜燃料电池热质传输过程建模仿真技术研究、产品开发等相关学者和工程设计人员阅读使用，还可作为高年级本科生和研究生课程参考教材，供能源动力、储能、化工等相关学科的教师和学生使用。
章节目录
版权信息
丛书编委会
丛书序
序
前言
第1章 绪论
1.1 发展燃料电池的重大需求
1.1.1 氢能在可再生能源体系中的重要作用
1.1.2 燃料电池的发展历程
1.2 质子交换膜燃料电池的优势及应用
1.2.1 交通运输领域
1.2.2 分布式能源
1.3 质子交换膜燃料电池工作原理
1.4 质子交换膜燃料电池基本结构
1.4.1 单电池基本结构
1.4.2 电堆基本结构
1.4.3 系统基本结构
1.5 质子交换膜燃料电池关键问题及挑战
1.5.1 高功率密度
1.5.2 高耐久性
1.5.3 面向商业化应用的低成本
1.6 质子交换膜燃料电池多物理过程建模与仿真
第2章 燃料电池热力学及电化学理论
2.1 热力学理论
2.1.1 反应热
2.1.2 理论电功
2.1.3 可逆电压
2.1.4 理论效率
2.1.5 能斯特方程
2.2 电池电压损失与实际输出电压
2.3 电化学理论
2.3.1 反应动力学和反应速率
2.3.2 巴特勒-福尔默方程
2.3.3 塔费尔方程
第3章 燃料电池多物理场宏观模型及仿真
3.1 燃料电池结构和物理过程介绍
3.2 燃料电池三维两相宏观模型
3.2.1 模型计算域选取
3.2.2 控制方程
3.2.3 边界条件及求解方法
3.2.4 燃料电池单流道模型影响特性
3.2.5 基于单电池全尺寸模型的计算案例
3.2.6 冷启动过程以及三维宏观仿真模型
3.3 燃料电池一维宏观模型
3.3.1 控制方程
3.3.2 初始条件与边界条件
3.3.3 模型耦合求解及验证
3.3.4 基于一维模型的燃料电池传输特征分析实例
第4章 燃料电池膜电极关键输运过程模型及仿真
4.1 质子交换膜结构及传输机理
4.1.1 质子交换膜简介
4.1.2 质子交换膜宏观特性参数
4.1.3 质子交换膜微观尺度模型
4.1.4 分子尺度膜的建模仿真
4.2 催化层内传输及建模仿真
4.2.1 催化层结构及输运过程简介
4.2.2 催化层微观模型的应用
4.2.3 催化层介观模型的应用
4.2.4 催化层宏观模型的应用
4.3 气体扩散层内传输及建模仿真
4.3.1 气体扩散层结构及输运过程简介
4.3.2 气体扩散层数值重构
4.3.3 气体扩散层的VOF模型
4.3.4 气体扩散层介观模型的应用
第5章 电堆设计与模拟仿真方法
5.1 燃料电池电堆设计的要素
5.1.1 电堆基本结构
5.1.2 电堆核心部件
5.2 面向工程的燃料电池电堆设计方法
5.2.1 设计思路
5.2.2 设计实例
5.3 燃料电池电堆等效网络模型与神经网络方法
5.3.1 流体网络方法
5.3.2 人工神经网络方法
5.4 燃料电池电堆三维数值仿真方法
5.4.1 三维全尺寸电堆模型
5.4.2 包含风扇的电堆三维CFD仿真
第6章 燃料电池系统模型及仿真方法
6.1 燃料电池系统介绍
6.1.1 燃料电池系统
6.1.2 氢气供应回路
6.1.3 空气供应回路
6.1.4 冷却回路
6.2 燃料电池系统建模思路
6.3 系统级燃料电池堆模型
6.3.1 电堆部件模型
6.3.2 电堆部件局部模块模型
6.4 系统内辅助部件模型
6.4.1 歧管模型
6.4.2 空压机模型
6.4.3 氢循环装置模型
6.4.4 加湿器模型
6.4.5 冷却回路模型
6.5 基于盲端阳极的燃料电池系统模拟仿真
6.5.1 全局系统模型构建
6.5.2 输入参数
6.5.3 系统负载工况研究
第7章 电堆性能衰减机制及其数值仿真
7.1 燃料电池性能衰减机制概述
7.1.1 开路/怠速工况下的性能衰减
7.1.2 变载工况下的性能衰减
7.1.3 启动/停机工况下的性能衰减
7.2 质子交换膜的化学降解模型
7.2.1 自由基对质子交换膜的攻击
7.2.2 过氧化氢的生成与分解
7.2.3 各组分的传输过程
7.2.4 沉淀铂对质子交换膜化学降解的影响
7.2.5 传统模型与改进模型的计算结果对比
7.2.6 质子交换膜化学降解过程分析
7.3 铂催化剂的降解和铂带生成模型
7.3.1 铂催化剂的降解
7.3.2 铂带的生成
7.3.3 模型验证
7.3.4 影响铂降解的主要因素和铂带生成过程分析
7.4 水淹导致的碳腐蚀模型
7.4.1 碳腐蚀动力学模型
7.4.2 影响碳腐蚀的主要因素
第8章 电热氢联供系统建模仿真研究
8.1 电热氢联供系统介绍
8.2 电热氢联供子系统建模
8.2.1 太阳能光伏阵列模型
8.2.2 碱性水电解槽模型
8.2.3 金属氢化物储氢模型
8.2.4 燃料电池模型
8.3 电热氢联供系统建模仿真
8.4 离网运行下系统电、热、氢动态性能分析
8.4.1 用户电热负荷和太阳辐照条件
8.4.2 系统控制策略
8.4.3 系统动态性能：夏季
8.4.4 系统动态性能：冬季
8.5 离网运行下系统能量管理策略优化
8.5.1 控制策略
8.5.2 性能对比：夏季
8.5.3 性能对比：冬季
8.5.4 盈余能量分析与最佳策略
附录 主要符号表
氢燃料电池多物理过程建模与仿真是2023年由机械工业出版社出版,作者王宁 编著。
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