以氫氣為燃料的質(zhì)子交換膜燃料電池在交通運(yùn)輸、分布式能源等領(lǐng)域具有巨大應(yīng)用潛力，其內(nèi)能量轉(zhuǎn)換和熱質(zhì)傳輸現(xiàn)象是一個(gè)典型的多尺度、多相流、多維度的電化學(xué)與熱物理耦合過程。本書首先介紹了質(zhì)子交換膜燃料電池基本原理和相關(guān)的熱力學(xué)與電化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)；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(gè)尺度層面的氣-水-熱-電輸運(yùn)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(jìn)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(zhì)子交換膜燃料電池?zé)豳|(zhì)傳輸過程建模仿真技術(shù)研究、產(chǎn)品開發(fā)等相關(guān)學(xué)者和工程設(shè)計(jì)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(dòng)力、儲(chǔ)能、化工等相關(guān)學(xué)科的教師和學(xué)生使用。
1.國家出版基金項(xiàng)目，十四五時(shí)期國家重點(diǎn)出版物出版專項(xiàng)規(guī)劃項(xiàng)目。
2.助力發(fā)展碳中和國家戰(zhàn)略，為加速在交通領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)碳中和目標(biāo)提供知識(shí)動(dòng)力。
3.全彩印刷，圖文并茂，內(nèi)容翔實(shí)，講解細(xì)致。
質(zhì)子交換膜燃料電池作為一種清潔高效的電化學(xué)能源轉(zhuǎn)換裝置，具有效率高、功率密度大、運(yùn)行溫度低、環(huán)境友好和無噪聲等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛認(rèn)為是交通運(yùn)輸、固定電站和便攜式能源等領(lǐng)域的下一代動(dòng)力設(shè)備。為更好地提升燃料電池的性能，理解并優(yōu)化其內(nèi)部多物理場傳輸過程已經(jīng)成為其研究領(lǐng)域中的重要方向之一。燃料電池內(nèi)部復(fù)雜的跨尺度氣?水?熱?電?力過程相互耦合，相互制約，合理調(diào)控電池內(nèi)多尺度多相態(tài)多物理場傳輸，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)燃料電池的高性能、低成本和長壽命是目前基礎(chǔ)研究和工程應(yīng)用中共同面臨的技術(shù)瓶頸和挑戰(zhàn)。
攻讀博士期間，我在陶文銓院士的指導(dǎo)下開展高效傳熱與節(jié)能技術(shù)相關(guān)的工作，在強(qiáng)化換熱和數(shù)值算法領(lǐng)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(zhì)過程的數(shù)值仿真拓展至燃料電池電化學(xué)過程和可再生能源高效利用等多個(gè)方面。通過多年的努力和不斷的探索，在國家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目、自然科學(xué)基金項(xiàng)目以及企業(yè)橫向項(xiàng)目的支持下，團(tuán)隊(duì)在質(zhì)子交換膜燃料電池建模與仿真領(lǐng)域的研究工作取得了顯著的進(jìn)展，深入揭示了燃料電池在不同應(yīng)用場景下的質(zhì)子/電子傳導(dǎo)、氧氣/氫氣傳輸、水熱管理、壽命衰減等關(guān)鍵電化學(xué)熱物理過程，并開發(fā)了精確可靠的數(shù)學(xué)模型和仿真工具。這些成果不僅在學(xué)術(shù)界受到廣泛的認(rèn)可，也得到了工業(yè)界的重視和應(yīng)用。我將多年來的研究成果、經(jīng)驗(yàn)和實(shí)例進(jìn)行總結(jié)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(zhì)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?zé)崃W(xué)及電化學(xué)理論，介紹其內(nèi)部的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)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(yù)測模型、介觀孔尺度方法以及微觀分子動(dòng)力學(xué)模型等揭示電池內(nèi)部不同部件下多物理場輸運(yùn)過程及建模方法，涵蓋了全電池、質(zhì)子交換膜、催化層、擴(kuò)散層等；第5章介紹了面向工程的電堆設(shè)計(jì)方法與仿真建模手段；第6章總結(jié)了燃料電池系統(tǒng)機(jī)理模型，對電堆和系統(tǒng)部件的耦合建模進(jìn)行歸納；第7章講解了膜和催化層衰減機(jī)理及相應(yīng)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(jìn)行了詳細(xì)介紹。
在本書編寫過程中，得到了單位、團(tuán)隊(duì)、學(xué)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(xué)熱流科學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(nèi)容的完善和修正提供了有益的幫助，感謝華中科技大學(xué)的涂正凱教授重點(diǎn)對本書第8章電熱氫聯(lián)供系統(tǒng)建模仿真所做的貢獻(xiàn)，感謝東方電氣（成都）氫燃料電池科技有限公司提供的產(chǎn)品實(shí)物照片。此書得到國家出版基金的資助并在機(jī)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(cuò)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(xué)教授，博士生導(dǎo)師，國家杰出青年科學(xué)基金獲得者、長江學(xué)者獎(jiǎng)勵(lì)計(jì)劃青年學(xué)者、中組部萬人計(jì)劃青年拔尖人才、陜西省青年科技新星等人才計(jì)劃支持，榮獲陜西省科學(xué)技術(shù)自然科學(xué)一等獎(jiǎng)（2020年，排名第1）、國家科技進(jìn)步獎(jiǎng)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)（2017年，排名第6）、國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)（2015年，排名第2）、國家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)（2009，排名第3）、吳仲華優(yōu)秀青年學(xué)者獎(jiǎng)、全國百篇優(yōu)秀博士論文、陜西省青年科技獎(jiǎng)、霍英東青年教師獎(jiǎng)等獎(jiǎng)勵(lì)�，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(shù)據(jù)中心節(jié)能與低碳技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任、美國機(jī)械工程師協(xié)會(huì)（ASME）K18委員會(huì)副主席、內(nèi)燃機(jī)學(xué)會(huì)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)分會(huì)副主任委員。多年來，以高效傳熱與節(jié)能技術(shù)、氫能技術(shù)以及微納能量轉(zhuǎn)換為主要研究方向。主持國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃燃料電池項(xiàng)目（首席科學(xué)家）、973項(xiàng)目課題、國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（聯(lián)合主持）、國防973子專題、國防重大專項(xiàng)基礎(chǔ)研究課題、海軍裝備預(yù)研項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金等縱向課題30余項(xiàng)。已發(fā)表學(xué)術(shù)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(quán)54項(xiàng)；參與制定國家標(biāo)準(zhǔn)1項(xiàng)。
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(zhì)子交換膜燃料電池的優(yōu)勢及應(yīng)用005
1.2.1 交通運(yùn)輸領(lǐng)域006
1.2.2 分布式能源006
1.3 質(zhì)子交換膜燃料電池工作原理007
1.4 質(zhì)子交換膜燃料電池基本結(jié)構(gòu)009
1.4.1 單電池基本結(jié)構(gòu)009
1.4.2 電堆基本結(jié)構(gòu)011
1.4.3 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)014
1.5 質(zhì)子交換膜燃料電池關(guān)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(yīng)用的低成本017
1.6 質(zhì)子交換膜燃料電池多物理過程建模與仿真017
參考文獻(xiàn)020
第2章 燃料電池?zé)崃W(xué)及電化學(xué)理論022
2.1 熱力學(xué)理論023
2.1.1 反應(yīng)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(shí)際輸出電壓032
2.3 電化學(xué)理論034
2.3.1 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和反應(yīng)速率034
2.3.2 巴特勒-福爾默方程035
2.3.3 塔費(fèi)爾方程037
參考文獻(xiàn)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(jié)構(gòu)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(jì)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(jì)算案例067
3.2.6 冷啟動(dòng)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(yàn)證082
3.3.4 基于一維模型的燃料電池傳輸特征分析實(shí)例085
參考文獻(xiàn)090
第4章 燃料電池膜電極關(guān)鍵輸運(yùn)過程模型及仿真093
4.1 質(zhì)子交換膜結(jié)構(gòu)及傳輸機(jī)理094
4.1.1 質(zhì)子交換膜簡介095
4.1.2 質(zhì)子交換膜宏觀特性參數(shù)098
4.1.3 質(zhì)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(nèi)傳輸及建模仿真108
4.2.1 催化層結(jié)構(gòu)及輸運(yùn)過程簡介108
4.2.2 催化層微觀模型的應(yīng)用110
4.2.3 催化層介觀模型的應(yīng)用115
4.2.4 催化層宏觀模型的應(yīng)用120
4.3 氣體擴(kuò)散層內(nèi)傳輸及建模仿真126
4.3.1 氣體擴(kuò)散層結(jié)構(gòu)及輸運(yùn)過程簡介126
4.3.2 氣體擴(kuò)散層數(shù)值重構(gòu)133
4.3.3 氣體擴(kuò)散層的VOF模型 137
4.3.4 氣體擴(kuò)散層介觀模型的應(yīng)用139
參考文獻(xiàn)157
第5章 電堆設(shè)計(jì)與模擬仿真方法162
5.1 燃料電池電堆設(shè)計(jì)的要素163
5.1.1 電堆基本結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)方法167
5.2.1 設(shè)計(jì)思路167
5.2.2 設(shè)計(jì)實(shí)例181
5.3 燃料電池電堆等效網(wǎng)絡(luò)模型與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法190
5.3.1 流體網(wǎng)絡(luò)方法190
5.3.2 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法205
5.4 燃料電池電堆三維數(shù)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(fēng)扇的電堆三維CFD仿真219
參考文獻(xiàn)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(yīng)回路230
6.1.3 空氣供應(yīng)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(nèi)輔助部件模型249
6.4.1 歧管模型249
6.4.2 空壓機(jī)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(gòu)建264
6.5.2 輸入?yún)?shù)267
6.5.3 系統(tǒng)負(fù)載工況研究268
參考文獻(xiàn)271
第7章 電堆性能衰減機(jī)制及其數(shù)值仿真275
7.1 燃料電池性能衰減機(jī)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(dòng)/停機(jī)工況下的性能衰減281
7.2 質(zhì)子交換膜的化學(xué)降解模型285
7.2.1 自由基對質(zhì)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(zhì)子交換膜化學(xué)降解的影響292
7.2.5 傳統(tǒng)模型與改進(jìn)模型的計(jì)算結(jié)果對比294
7.2.6 質(zhì)子交換膜化學(xué)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(yàn)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(dǎo)致的碳腐蝕模型310
7.4.1 碳腐蝕動(dòng)力學(xué)模型311
7.4.2 影響碳腐蝕的主要因素314
參考文獻(xiàn)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(chǔ)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(wǎng)運(yùn)行下系統(tǒng)電、熱、氫動(dòng)態(tài)性能分析337
8.4.1 用戶電熱負(fù)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(dòng)態(tài)性能夏季340
8.4.4 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能冬季343
8.5 離網(wǎng)運(yùn)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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