以氫氣為燃料的質子交換膜燃料電池在交通運輸、分布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(xiàn)象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；其次系統(tǒng)介紹了燃料電池涉及的膜電極、單電池、電堆和系統(tǒng)多個尺度層面的氣-水-熱-電輸運過程的模擬仿真方法，并對膜電極衰減過程建模仿真方法進行了探討；最后給出了一種電熱氫聯(lián)供系統(tǒng)的建模仿真方法。
本書適合從事質子交換膜燃料電池熱質傳輸過程建模仿真技術研究、產品開發(fā)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、化工等相關學科的教師和學生使用。
1.國家出版基金項目，十四五時期國家重點出版物出版專項規(guī)劃項目。
2.助力發(fā)展碳中和國家戰(zhàn)略，為加速在交通領域實現(xiàn)碳中和目標提供知識動力。
3.全彩印刷，圖文并茂，內容翔實，講解細致。
質子交換膜燃料電池作為一種清潔高效的電化學能源轉換裝置，具有效率高、功率密度大、運行溫度低、環(huán)境友好和無噪聲等優(yōu)點，被廣泛認為是交通運輸、固定電站和便攜式能源等領域的下一代動力設備。為更好地提升燃料電池的性能，理解并優(yōu)化其內部多物理場傳輸過程已經成為其研究領域中的重要方向之一。燃料電池內部復雜的跨尺度氣?水?熱?電?力過程相互耦合，相互制約，合理調控電池內多尺度多相態(tài)多物理場傳輸，進一步實現(xiàn)燃料電池的高性能、低成本和長壽命是目前基礎研究和工程應用中共同面臨的技術瓶頸和挑戰(zhàn)。
攻讀博士期間，我在陶文銓院士的指導下開展高效傳熱與節(jié)能技術相關的工作，在強化換熱和數值算法領域開展研究。2005年工作以后，我在陶文銓院士的繼續(xù)支持下將傳熱傳質過程的數值仿真拓展至燃料電池電化學過程和可再生能源高效利用等多個方面。通過多年的努力和不斷的探索，在國家重點研發(fā)項目、自然科學基金項目以及企業(yè)橫向項目的支持下，團隊在質子交換膜燃料電池建模與仿真領域的研究工作取得了顯著的進展，深入揭示了燃料電池在不同應用場景下的質子/電子傳導、氧氣/氫氣傳輸、水熱管理、壽命衰減等關鍵電化學熱物理過程，并開發(fā)了精確可靠的數學模型和仿真工具。這些成果不僅在學術界受到廣泛的認可，也得到了工業(yè)界的重視和應用。我將多年來的研究成果、經驗和實例進行總結形成了本書，旨在為對燃料電池多物理場建模感興趣的讀者提供參考。
本書第1章緒論著重介紹質子交換膜燃料電池的基本原理及發(fā)展現(xiàn)狀；第2章為燃料電池熱力學及電化學理論，介紹其內部的反應動力學及電壓損失和性能描述方法；第3章、第4章分別基于宏觀性能預測模型、介觀孔尺度方法以及微觀分子動力學模型等揭示電池內部不同部件下多物理場輸運過程及建模方法，涵蓋了全電池、質子交換膜、催化層、擴散層等；第5章介紹了面向工程的電堆設計方法與仿真建模手段；第6章總結了燃料電池系統(tǒng)機理模型，對電堆和系統(tǒng)部件的耦合建模進行歸納；第7章講解了膜和催化層衰減機理及相應的建模仿真方法；第8章對電熱氫聯(lián)供系統(tǒng)建模仿真方法進行了詳細介紹。
在本書編寫過程中，得到了單位、團隊、學界與企業(yè)同仁的大力支持與幫助。在此特別感謝西安交通大學熱流科學與工程重點實驗室、陜西省氫燃料電池性能提升協(xié)同創(chuàng)新中心的全體師生，他們對書稿內容的完善和修正提供了有益的幫助，感謝華中科技大學的涂正凱教授重點對本書第8章電熱氫聯(lián)供系統(tǒng)建模仿真所做的貢獻，感謝東方電氣（成都）氫燃料電池科技有限公司提供的產品實物照片。此書得到國家出版基金的資助并在機械工業(yè)出版社出版，在此一并表示感謝。
編者水平有限，書中錯誤與不足之處在所難免，敬請讀者批評指正。
屈治國
屈治國，西安交通大學教授，博士生導師，國家杰出青年科學基金獲得者、長江學者獎勵計劃青年學者、中組部萬人計劃青年拔尖人才、陜西省青年科技新星等人才計劃支持，榮獲陜西省科學技術自然科學一等獎（2020年，排名第1）、國家科技進步獎創(chuàng)新團隊（2017年，排名第6）、國家科技進步二等獎（2015年，排名第2）、國家技術發(fā)明二等獎（2009，排名第3）、吳仲華優(yōu)秀青年學者獎、全國百篇優(yōu)秀博士論文、陜西省青年科技獎、霍英東青年教師獎等獎勵�，F(xiàn)任陜西省氫燃料電池性能提升協(xié)同創(chuàng)新中心主任、西安市數據中心節(jié)能與低碳技術重點實驗室主任、美國機械工程師協(xié)會（ASME）K18委員會副主席、內燃機學會燃料電池發(fā)動機分會副主任委員。多年來，以高效傳熱與節(jié)能技術、氫能技術以及微納能量轉換為主要研究方向。主持國家重點研發(fā)計劃燃料電池項目（首席科學家）、973項目課題、國家自然科學基金重點項目（聯(lián)合主持）、國防973子專題、國防重大專項基礎研究課題、海軍裝備預研項目、國家自然科學基金等縱向課題30余項。已發(fā)表學術論文305篇，包括SCI英文國際期刊論文191篇；出版英文專著3章節(jié)；發(fā)明專利授權54項；參與制定國家標準1項。
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 質子交換膜燃料電池的優(yōu)勢及應用005
1.2.1 交通運輸領域006
1.2.2 分布式能源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(tǒng)基本結構014
1.5 質子交換膜燃料電池關鍵問題及挑戰(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 反應動力學和反應速率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 燃料電池結構和物理過程介紹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 燃料電池膜電極關鍵輸運過程模型及仿真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 分子尺度膜的建模仿真103
4.2 催化層內傳輸及建模仿真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仿真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 電堆設計與模擬仿真方法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絡模型與神經網絡方法190
5.3.1 流體網絡方法190
5.3.2 人工神經網絡方法205
5.4 燃料電池電堆三維數值仿真方法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 氫氣供應回路230
6.1.3 空氣供應回路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)模型構建264
6.5.2 輸入參數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 沉淀鉑對質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果對比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
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