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第1章 燃料电池简介 1

1.1引言 1

1.2什么是PEM燃料电池 2

1.3为什么需要燃料电池 3

1.3.1便携式电源 4

1.3.2交通运输 4

1.3.3固定式电站 4

1.4燃料电池的发展史 4

1.5文献中的燃料电池数学模型 6

1.6燃料电池数学建模的基本步骤 8

本章小结 10

思考题 10

尾注 10

参考文献 11

第2章 燃料电池热力学 12

2.1引言 12

2.2焓 12

2.3比热容 14

2.4熵 21

2.5化学反应中的自由能变化 25

2.6燃料电池可逆电压和净输出电压 33

2.7燃料电池的理论效率 34

本章小结 35

思考题 35

尾注 36

参考文献 37

第3章 燃料电池电化学 38

3.1引言 38

3.2基本的电化学动力学概念 38

3.3电荷传输 39

3.4电荷传输反应 41

3.5电极动力学 42

3.5.1反应速率因素与活化能 42

3.5.2巴尔特-沃尔默方程 44

3.6电压损失 49

3.7内部电流和渗透电流 56

本章小结 56

思考题 57

尾注 57

参考文献 58

第4章 燃料电池电荷传输 60

4.1引言 60

4.2欧姆极化损失 60

4.3金属的电子导电性 68

4.4聚合物电解质的离子导电性 68

本章小结 73

思考题 73

尾注 74

参考文献 74

第5章 燃料电池质量传输 75

5.1引言 75

5.2燃料电池内部的质量守恒 75

5.2.1质子交换膜燃料电池入口处流量关系 77

5.2.2质子交换膜燃料电池出口处流量关系 77

5.2.3液体、水蒸气流量及其余量 78

5.3流道和电极之间的质量对流传输 83

5.4电极中的质量扩散传输 84

5.5流场中的质量对流传输 87

5.6其他文献中的质量传输方程 92

5.6.1菲克扩散定律 92

5.6.2史蒂芬-麦克斯韦方程 92

5.63尘气模型 93

本章小结 94

思考题 95

参考文献 95

第6章 燃料电池热传输 97

6.1引言 97

6.2热传输基本原理 98

6.3燃料电池能量守恒 100

6.3.1总体能量守恒过程 100

6.3.2燃料电池电堆的能量守恒 101

6.3.3燃料电池系统的能量守恒 102

6.3.4节点网络 105

6.3.5平面中的瞬态传热 [6] 105

6.3.6单电池层间的能量守恒 109

6.4燃料电池的热管理 120

6.4.1空气冷却 120

6.4.2边缘冷却 123

本章小结 123

思考题 124

尾注 124

参考文献 125

第7章 质子交换膜建模 127

7.1引言 127

7.2质子交换膜的物理描述 128

7.3不同种类的模型 129

7.3.1微观和物理模型 130

7.3.2扩散模型 130

7.3.3稀薄溶液理论 131

7.3.4浓缩溶液理论 131

7.3.5膜的水含量 132

7.3.6液压模型 132

7.3.7联合模型 133

7.4质子交换膜建模案例 133

7.4.1质量和组分守恒 134

7.4.2动量方程 136

7.4.3能量守恒方程 136

7.4.4离子传输方程 137

7.4.5界面的水活性 137

7.4.6膜内水活性 137

本章小结 145

思考题 145

尾注 146

参考文献 146

第8章 气体扩散层建模 149

8.1引言 149

8.2气体扩散层的物理描述 150

8.3多孔介质建模基础 151

8.3.1孔结构 151

8.3.2流体特性 151

8.3.3毛细管作用 151

8.3.4渗透率 152

8.4多孔介质传输模型 153

8.4.1多孔介质中的自由分子流动 153

8.4.2多孔介质中的黏性流动 154

8.4.3多孔介质的连续扩散 156

8.4.4二元混合物联合传输机理 156

8.5模型种类 158

8.5.1导电性 159

8.5.2蒸发与冷凝 159

8.5.3气相传输 160

8.5.4液态水处理 161

8.5.5严格两相流动模型 161

8.6气体扩散层建模案例 162

8.6.1无液态支配方程 164

8.6.2无液态，无对流，常流量 166

本章总结 180

思考题 181

尾注 181

参考文献 181

第9章 催化剂层建模 184

9.1引言 184

9.2催化剂层的物理描述 185

9.3通用方程 186

9.4模型类型 187

9.4.1界面模型 188

9.4.2微结构和单孔模型 189

9.4.3多孔电极模型 190

9.4.4聚合物模型 191

9.5催化剂层热传递 192

本章小结 199

思考题 199

尾注 199

参考文献 200

第10章 流场板建模 203

10.1引言 203

10.2流场板材料 204

10.3流场设计 205

10.4流道的截面形状 207

10.5流道中的压降 207

10.6板流道和气体之间的热传递 213

本章小结 222

思考题 223

尾注 223

参考文献 224

第11章 微型燃料电池建模 226

11.1引言 226

11.2文献中的微型PEM燃料电池 227

11.2.1电极 228

11.2.2双极板 228

11.2.3堆的设计和结构 230

11.3微流体力学 232

11.3.1纳维-斯托克斯方程 232

11.3.2不可压缩流 233

11.3.3欧拉方程 233

11.3.4斯托克方程 234

11.3.5边界条件和初始条件 234

11.3.6泊肃叶流 236

11.3.7带滑移的泊肃叶流 236

11.4流速和压力 237

11.5气泡和颗粒 237

11.6毛细管效应 238

11.7单相和两相压降 238

11.8微通道内的速度 240

本章小结 248

思考题 248

尾注 249

参考文献 251

第12章 燃料电池堆建模 254

12.1引言 254

12.2燃料电池堆的尺寸设计 254

12.3单电池数量 255

12.4堆结构 256

12.5燃料和氧化剂的分配 257

12.6电堆预紧 261

12.6.1螺栓预紧 261

12.6.2气体扩散层获得最佳预紧时电堆上所需的力 263

12.6.3预紧层的螺栓刚度 264

12.6.4拧紧扭矩的计算 266

12.6.5总预紧力相关扭矩 266

本章小结 271

思考题 271

尾注 272

参考文献 272

第13章 燃料电池系统设计 276

13.1引言 276

13.2燃料子系统 277

13.2.1加湿子系统 277

13.2.2风机和鼓风机 279

13.2.3压缩机 282

13.2.4涡轮机 286

13.2.5泵 288

本章小结 293

思考题 293

尾注 294

参考文献 294

第14章 模型验证 296

14.1引言 296

14.2残差 296

14.2.1测量过程的漂移 296

14.2.2独立随机误差 297

14.3随机误差的正态分布 301

14.4模型中的丢失项 304

14.5模型中的非必要项 305

本章总结 307

思考题 307

尾注 307

参考文献 308

附录A 309

附录B 310

附录C 311

附录D 312

附录E 313

附录F 314

附录G 324

附录H 325

附录I 327

附录J 328