質(zhì)子交換膜燃料電池建模與MATLAB仿真

內(nèi)容概要

《質(zhì)子交換膜燃料電池建模與MATLAB仿真》闡述了質(zhì)子交換膜燃料電池建模與仿真的基本方法。首先介紹了與質(zhì)子交換膜燃料電池相關(guān)的熱力學(xué)和電化學(xué)基礎(chǔ)知識，然后系統(tǒng)地介紹了質(zhì)子交換膜燃料電池內(nèi)部電荷傳輸、質(zhì)量傳輸及熱能傳輸?shù)幕驹砗褪睾惴匠?，分別針對質(zhì)子交換膜、催化劑層、氣體擴(kuò)散層、流場板進(jìn)行建模和仿真計(jì)算；然后以微型燃料電池、燃料電池電堆及輔助系統(tǒng)為主要內(nèi)容進(jìn)行建模，最后講述模型的驗(yàn)證方法?！顿|(zhì)子交換膜燃料電池建模與MATLAB仿真》以最經(jīng)典的熱力學(xué)及流體力學(xué)理論為建模依據(jù)，基礎(chǔ)性很強(qiáng)；同時(shí)又以目前現(xiàn)有的燃料電池科學(xué)研究成果為對比，具有一定的前瞻性。

作者簡介

作者：（美國）施皮格爾（Coolleen Spiegel） 譯者：張新豐 張智明

書籍目錄

第1章 燃料電池簡介 1.1 引言 1.2 什么是PEM燃料電池 1.3 為什么需要燃料電池 1.3.1 便攜式電源 1.3.2 交通運(yùn)輸 1.3.3 固定式電站 1.4 燃料電池的發(fā)展史 1.5 文獻(xiàn)中的燃料電池?cái)?shù)學(xué)模型 1.6 燃料電池?cái)?shù)學(xué)建模的基本步驟 本章小結(jié) 思考題 尾注 參考文獻(xiàn) 第2章 燃料電池?zé)崃W(xué) 2.1 引言 2.2 焓 2.3 比熱 2.4 熵 2.5 化學(xué)反應(yīng)中的自由能變化 2.6 燃料電池可逆電壓和凈輸出電壓 2.7 燃料電池的理論效率 本章小結(jié) 思考題 尾注 參考文獻(xiàn) 第3章 燃料電池電化學(xué) 3.1 引言 3.2 基本的電化學(xué)動力學(xué)概念 3.3 電荷傳輸 3.4 電荷傳輸反應(yīng) 3.5 電極動力學(xué) 3.5.1 反應(yīng)速率因素與活化能 3.5.2 巴爾特—沃爾默方程 3.6 電壓損失 3.7 內(nèi)部電流和滲透電流 本章小結(jié) 思考題 尾注 參考文獻(xiàn) 第4章 燃料電池電荷傳輸 4.1 引言 4.2 歐姆極化損失 4.3 金屬的電子導(dǎo)電性 4.4 聚合物電解質(zhì)的離子導(dǎo)電性 本章小結(jié) 思考題 尾注 參考文獻(xiàn) 第5章 燃料電池質(zhì)量傳輸 5.1 引言 5.2 燃料電池內(nèi)部的質(zhì)量守恒 5.2.1 質(zhì)子交換膜燃料電池入口處流量關(guān)系 5.2.2 質(zhì)子交換膜燃料電池出口處流量關(guān)系 5.2.3 液體、水蒸氣流量及其余量 5.3 流道和電極之間的質(zhì)量對流傳輸 5.4 電極中的質(zhì)量擴(kuò)散傳輸 5.5 流場中的質(zhì)量對流傳輸 5.6 其他文獻(xiàn)中的質(zhì)量傳輸方程 5.6.1 菲克擴(kuò)散定律 5.6.2 史蒂芬—麥克斯韋方程 5.6.3 塵氣模型 本章小結(jié) 思考題 參考文獻(xiàn) 第6章 燃料電池?zé)醾鬏?6.1 引言 6.2 熱傳輸基本原理 6.3 燃料電池能量守恒 6.3.1 總體能量守恒過程 6.3.2 燃料電池電堆的能量守恒 6.3.3 燃料電池系統(tǒng)的能量守恒 6.3.4 節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò) 6.3.5 平面中的瞬態(tài)傳熱（6） 6.3.6 單電池層間的能量守恒 6.4 燃料電池的熱管理 6.4.1 空氣冷卻 6.4.2 邊緣冷卻 本章小結(jié) 思考題 尾注 參考文獻(xiàn) 第7章 質(zhì)子交換膜建模 7.1 引言 7.2 質(zhì)子交換膜的物理描述 7.3 不同種類的模型 7.3.1 微觀和物理模型 7.3.2 擴(kuò)散模型 7.3.3 稀薄溶液理論 7.3.4 濃縮溶液理論 7.3.5 膜的水含量 7.3.6 液壓模型 7.3.7 聯(lián)合模型 7.4 質(zhì)子交換膜建模案例 7.4.1 質(zhì)量和組分守恒 7.4.2 動量方程 7.4.3 能量守恒方程 7.4.4 離子傳輸方程 7.4.5 界面的水活性 7.4.6 膜內(nèi)水活性 本章小結(jié) 思考題 尾注 參考文獻(xiàn) 第8章 氣體擴(kuò)散層建模 8.1 引言 8.2 氣體擴(kuò)散層的物理描述 8.3 多孔介質(zhì)建模基礎(chǔ) 8.3.1 孔結(jié)構(gòu) 8.3.2 流體特性 8.3.3 毛細(xì)管作用 8.3.4 滲透率 8.4 多孔介質(zhì)傳輸模型 8.4.1 多孔介質(zhì)中的自由分子流動 8.4.2 多孔介質(zhì)中的黏性流動 8.4.3 多孔介質(zhì)的連續(xù)擴(kuò)散 8.4.4 二元混合物聯(lián)合傳輸機(jī)理 8.5 模型種類 8.5.1 導(dǎo)電性 8.5.2 蒸發(fā)與冷凝 8.5.3 氣相傳輸 8.5.4 液態(tài)水處理 8.5.5 嚴(yán)格兩相流動模型 8.6 氣體擴(kuò)散層建模案例 8.6.1 無液態(tài)支配方程 8.6.2 無液態(tài)，無對流，常流量 本章總結(jié) 思考題 尾注 參考文獻(xiàn) 第9章 催化劑層建模 9.1 引言 9.2 催化劑層的物理描述 9.3 通用方程 9.4 模型類型 9.4.1 界面模型 9.4.2 微結(jié)構(gòu)和單孔模型 9.4.3 多孔電極模型 9.4.4 聚合物模型 9.5 催化劑層熱傳遞 本章小結(jié) 思考題 尾注 參考文獻(xiàn) 第10章 流場板建模 10.1 引言 10.2 流場板材料 10.3 流場設(shè)計(jì) 10.4 流道的截面形狀 10.5 流道中的壓降 10.6 板流道和氣體之間的熱傳遞 本章小結(jié) 思考題 尾注 參考文獻(xiàn) 第11章 微型燃料電池建模 11.1 引言 11.2 文獻(xiàn)中的微型PEM燃料電池 11.2.1 電極 11.2.2 雙極板 11.2.3 堆的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu) 11.3 微流體力學(xué) 11.3.1 納維—斯托克斯方程 11.3.2 不可壓縮流 11.3.3 歐拉方程 11.3.4 斯托克方程 11.3.5 邊界條件和初始條件 11.3.6 泊肅葉流 11.3.7 帶滑移的泊肅葉流 11.4 流速和壓力 11.5 氣泡和顆粒 11.6 毛細(xì)管效應(yīng) 11.7 單相和兩相壓降 11.8 微通道內(nèi)的速度 本章小結(jié) 思考題 尾注 參考文獻(xiàn) 第12章 燃料電池堆建模 12.1 引言 12.2 燃料電池堆的尺寸設(shè)計(jì) 12.3 單電池?cái)?shù)量 12.4 堆結(jié)構(gòu) 12.5 燃料和氧化劑的分配 12.6 電堆預(yù)緊 12.6.1 螺栓預(yù)緊 12.6.2 氣體擴(kuò)散層獲得最佳預(yù)緊時(shí)電堆上所需的力 12.6.3 預(yù)緊層的螺栓剛度 12.6.4 擰緊扭矩的計(jì)算 12.6.5 總預(yù)緊力相關(guān)扭矩 本章小結(jié) 思考題 尾注 參考文獻(xiàn) 第13章 燃料電池系統(tǒng)設(shè)計(jì) 13.1 引言 13.2 燃料子系統(tǒng) 13.2.1 加濕子系統(tǒng) 13.2.2 風(fēng)機(jī)和鼓風(fēng)機(jī) 13.2.3 壓縮機(jī) 13.2.4 渦輪機(jī) 13.2.5 泵 本章小結(jié) 思考題 尾注 參考文獻(xiàn) 第14章 模型驗(yàn)證 14.1 引言 14.2 殘差 14.2.1 測量過程的漂移 14.2.2 獨(dú)立隨機(jī)誤差 14.3 隨機(jī)誤差的正態(tài)分布 14.4 模型中的丟失項(xiàng) 14.5 模型中的非必要項(xiàng) 本章總結(jié) 思考題 尾注 參考文獻(xiàn) 附錄A 附錄B 附錄C 附錄D 附錄E 附錄F 附錄G 附錄H 附錄I 附錄J

章節(jié)摘錄

版權(quán)頁：   插圖：   11.2.1 電極 在傳統(tǒng)燃料電池中，電極厚度通常為250～2000A，催化劑擔(dān)載量大于0.5mg／cm2。而微型燃料電池，標(biāo)準(zhǔn)的鉑擔(dān)載量厚度在5～60nm之間，陽極鉑釕擔(dān)載量在2.0～6.0mg／cm2之間，陰極鉑擔(dān)載量在1.3～2.0mg／cm2之間（3—6）。黏附層被沉積在催化劑層前，通常厚度在25～300A之間。如前所述，催化劑擔(dān)載量對于PEM燃料電池而言是一個(gè)成本過高的因素。如果我們減少鉑的用量，PEM燃料電池堆的成本隨之降低?？梢杂昧硪环N更便宜的成分與之相混合，用它取代鉑，抑或是將微型燃料電池堆制作得更為小型化，此時(shí)所需的催化劑就變得不再昂貴。第8章的內(nèi)容涵蓋了催化劑層建模的細(xì)節(jié)。當(dāng)進(jìn)行微型燃料電池系統(tǒng)建模時(shí)，重要的是要運(yùn)用考慮到微觀效應(yīng)的催化劑模型，如聚合物模型。由于微型燃料電池的面積小，均相催化劑的分布和放置就會非常重要，這點(diǎn)對于獲得準(zhǔn)確的微型燃料電池電極模型也是至關(guān)重要的。 擴(kuò)散層是由導(dǎo)電的多孔材料制成的，如碳紙。擴(kuò)散層的厚度通常為0.25～0.40mm。填充炭黑等導(dǎo)電粉可以提高紙張的電導(dǎo)率。為了提高碳紙孔隙的排水性能，擴(kuò)散層可以用聚四氟乙烯（PTFE）進(jìn)行處理。一些微型燃料電池的開發(fā)者完全放棄了擴(kuò)散層，而將鉑直接濺射在質(zhì)子交換結(jié)構(gòu)上。同時(shí)，也有一些新的研究試圖通過排列高度一致的碳納米管來創(chuàng)造良好的擴(kuò)散層來幫助提高燃料電池的性能。一些研究已表明，從碳納米管擴(kuò)散層制成的燃料電池中，流出的燃料電池電流密度會有所增加（7—12）。根據(jù)燃料電池的微型尺寸，GDL層可能不會像在較大的燃料電池中那么具有優(yōu)勢。在微型燃料電池中，雙極板能夠被用于提供均勻氣流，而在其他的燃料電池中，這種效應(yīng)往往由氣體擴(kuò)散層產(chǎn)生作用，當(dāng)然，這仍要取決于燃料電池的設(shè)計(jì)。微型燃料電池的氣體擴(kuò)散層，可以使用在第9章中已介紹的方法進(jìn)行建模。但是，根據(jù)氣體擴(kuò)散層的設(shè)計(jì)，它可通過嚴(yán)格包含一個(gè)微型燃料電池的幾何細(xì)節(jié)來提高模型的準(zhǔn)確性。 11.2.2雙極板 最傳統(tǒng)的雙極板（在大型燃料電池中）是由不銹鋼或石墨制成的。不銹鋼板對便攜式或微動力系統(tǒng)而言是重型部件。固體石墨板具有高導(dǎo)電性、化學(xué)惰性以及耐腐蝕性等特點(diǎn)，但價(jià)格昂貴、易碎并且難以批量制造。流道通常是用機(jī)床加工或是由電化蝕刻在石墨或不銹鋼的雙極板面上。但這些材料卻不適合于批量生產(chǎn)，同時(shí)也無法在基于微型燃料電池系統(tǒng)中正常工作。已在微型燃料電池中使用的典型材料有硅晶片、碳紙、PDMS、SU-8、銅和不銹鋼金屬箔。在過去幾年中，傳統(tǒng)的光刻和精密加工技術(shù)已開始在微型燃料電池中獲得應(yīng)用。

編輯推薦

《質(zhì)子交換膜燃料電池建模與MATLAB仿真》可作為高等院校燃料電池專業(yè)或相關(guān)專業(yè)的本科生及研究生教材，也可作為致力于質(zhì)子交換膜燃料電池設(shè)計(jì)的工程師、以質(zhì)子交換膜燃料電池及燃料電池汽車為研究方向的在校研究生和教師的入門讀物，還可以作為對質(zhì)子交換膜燃料電池感興趣的設(shè)計(jì)人員的參考書籍。

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