質子交換膜燃料電池水熱管理

目錄
序一
序二
前言
符號表
第1章 導論 1
1.1 質子交換膜燃料電池在能源環(huán)境問題中的角色 1
1.2 質子交換膜燃料電池基礎 3
1.2.1 工作原理 3
1.2.2 基礎結構 4
1.2.3 燃料電池熱力學 5
1.2.4 燃料電池反應動力學 9
1.2.5 燃料電池的輸出性能 12
1.2.6 燃料電池的效率 14
1.3 質子交換膜燃料電池水熱管理 16
1.3.1 水熱管理 16
1.3.2 水熱管理的研究內容及現(xiàn)狀 18
參考文獻 20
第2章 各部件工作原理與傳輸機制 23
2.1 水熱管理中的“水”和“熱” 23
2.1.1 水的狀態(tài) 23
2.1.2 電池中的產熱與散熱 24
2.2 極板和流場 25
2.2.1 傳統(tǒng)流場 25
2.2.2 三維流場 29
2.2.3 多孔介質流場 31
2.3 電解質 33
2.3.1 電解質及水的狀態(tài) 33
2.3.2 電解質內質子傳輸 35
2.3.3 電解質內水傳輸 36
2.3.4 電解質內氣體傳輸 40
2.4 多孔電極 42
2.4.1 多孔電極結構 42
2.4.2 多孔電極內的擴散與對流 47
2.4.3 多孔區(qū)域內水的相變 49
2.4.4 催化層內水的狀態(tài)和傳輸 51
2.4.5 多孔電極內電傳輸 53
本章小結 54
參考文獻 54
第3章 質子交換膜燃料電池表征測試及診斷分析 57
3.1 實驗方法概述 57
3.2 宏觀特性表征 58
3.2.1 極化曲線 58
3.2.2 機械振動 58
3.2.3 重力特性 59
3.2.4 低溫啟動 60
3.2.5 耐久性 62
3.3 電化學表征 64
3.3.1 電化學阻抗譜法 65
3.3.2 高頻阻抗 72
3.3.3 電流中斷法 74
3.3.4 循環(huán)伏安法 74
3.3.5 線性掃描伏安法 76
3.3.6 一氧化碳溶出伏安法 78
3.4 分布特性表征 79
3.4.1 電流密度分布 79
3.4.2 電化學阻抗譜法分布 81
3.4.3 組分分布 81
3.4.4 溫度分布 82
3.5 可視化 83
3.5.1 光學透明電池 84
3.5.2 X射線成像 85
3.5.3 中子成像 86
3.5.4 核磁共振成像 87
3.6 材料離線表征 88
3.6.1 多孔性與滲透性 88
3.6.2 膜電導率 89
3.6.3 微觀結構分析 89
3.6.4 粒度分析 92
3.6.5 元素分析 94
本章小結 95
參考文獻 96
習題與實戰(zhàn) 99
第4章 燃料電池部件內部多相流動和電極動力學仿真 101
4.1 數(shù)值方法回顧 101
4.2 流道內的模擬 102
4.2.1 流動現(xiàn)象概述 102
4.2.2 宏觀數(shù)值方法對運動界面的處理 104
4.2.3 格子玻爾茲曼方法在流道中的應用 109
4.2.4 流道內的湍流流動模擬 114
4.3 多孔介質內的模擬 117
4.3.1 多孔介質內物理問題概述 117
4.3.2 多孔介質微觀結構重構 118
4.3.3 VOF方法在多孔介質內的應用 131
4.3.4 格子玻爾茲曼方法在多孔介質內的應用 133
本章小結 147
參考文獻 147
習題與實戰(zhàn) 153
第5章 單電池水熱管理與建模分析 154
5.1 單電池水熱管理仿真模型簡介 154
5.2 CFD數(shù)值模型 155
5.2.1 流場內氣液兩相流動過程仿真分析 156
5.2.2 單電池多孔電極內傳輸過程建模分析 160
5.2.3 膜態(tài)水傳輸過程 165
5.2.4 離子和電子傳輸過程 166
5.2.5 熱傳輸過程 174
5.2.6 模型驗證 175
5.2.7 網(wǎng)格獨立性 178
5.2.8 CFD數(shù)值模型計算 179
5.2.9 CFD數(shù)值模型結果 179
5.2.10 冷啟動工況 186
5.3 低維模型 188
5.3.1 一維穩(wěn)態(tài)模型 189
5.3.2 準二維瞬態(tài)模型 194
本章小結 200
參考文獻 200
習題與實戰(zhàn) 202
第6章 電堆水熱管理與建模分析 203
6.1 質子交換膜燃料電池堆及其水熱管理 203
6.1.1 電堆結構 203
6.1.2 電堆封裝 206
6.1.3 電堆的冷卻 207
6.1.4 電堆水熱管理 210
6.2 電堆三維數(shù)值模型 211
6.2.1 電堆歧管模型 212
6.2.2 包含全電池的電堆模型 212
6.3 電堆低維模型 218
6.3.1 流體網(wǎng)絡模型 219
6.3.2 一維電堆模型中的熱邊界 221
本章小結 223
參考文獻 223
習題與實戰(zhàn) 225
第7章 系統(tǒng)設計與水熱管理分析 226
7.1 燃料電池系統(tǒng)概述 226
7.1.1 氫氣制備、提純與儲存工藝 227
7.1.2 氣體供給系統(tǒng) 231
7.1.3 加濕系統(tǒng) 236
7.1.4 熱管理系統(tǒng) 238
7.1.5 燃料電池汽車動力系統(tǒng) 240
7.2 輔助子系統(tǒng)模型 243
7.2.1 膜加濕器模型 243
7.2.2 電化學氫氣泵模型 248
7.2.3 空氣壓縮機模型 254
7.2.4 熱管理系統(tǒng)模型 259
7.2.5 系統(tǒng)仿真模型 264
7.3 燃料電池系統(tǒng)熱力學分析 267
7.3.1 能量分析法 268
7.3.2 分析法 268
7.4 系統(tǒng)控制策略與故障規(guī)律 270
7.4.1 控制策略 270
7.4.2 故障規(guī)律 272
本章小結 273
參考文獻 274
習題與實戰(zhàn) 277
第8章 總結與展望 278
參考文獻 279
附錄 281