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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A309

附录B310

附录C311

附录D312

附录E313

附录F314

附录G324

附录H325

附录I327

附录J328