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第1部分 氢能和燃料电池模型 1

第1章 氢能和电能：相似之处、相互作用和转化 1

1.1 简介 1

1.1.1 氢气和燃料电池的标准观点 1

1.1.2 氢气和电力的综合观点 2

1.2 氢和电对比 4

1.2.1 产生资源 4

1.2.2 混合发电 5

1.2.3 分布和基础设施 5

1.3 互补和聚合 6

1.3.1 互补属性和应用 6

1.3.1.1 车辆 6

1.3.1.2 发电设备 8

1.3.2 原料竞争 9

1.3.3 联合 9

1.3.3.1 大型热化学协作生产 9

1.3.3.2 小至中等规模的能源站 11

1.3.4 互变 12

1.3.4.1 间歇性可再生能源电力储存 12

1.3.4.2 非高峰期电解 12

1.3.4.3 中央氢气和电力生产（具有CCS的发电厂） 13

1.3.4.4 中央氢气生产和分布式电力生产（FCV、MobileE和V2G） 13

1.3.4.5 分布式氢气和电力生产（E电站和构建系统） 13

1.4 小结 13

参考文献 14

第2章 氢能基础设施：生产、储存和运输 17

2.1 简介 17

2.2 生产 17

2.2.1 蒸气甲烷重整 17

2.2.2 煤的气化 20

2.2.3 电解 21

2.2.4 高温电解及核能热转化 23

2.2.5 副产物和工业氢 24

2.3 储存和运输 25

2.3.1 大规模储存 25

2.3.1.1 冷藏法 25

2.3.1.2 地下储存 25

2.3.2 小规模储存 26

2.3.2.1 氢气压缩 26

2.3.2.2 低温以及超低温压缩氢气 27

2.3.2.3 金属氢化物 27

2.3.2.4 表面吸附 28

2.3.3 运输 28

2.4 小结 28

参考文献 29

第3章 PEM燃料电池基础和计算模型 32

3.1 简介 32

3.2 PEM燃料电池的基本知识 34

3.2.1 燃料电池建模方程和相关常数 34

3.2.1.1 可逆电池电压 34

3.2.1.2 活化超电动势 35

3.2.1.3 欧姆过电位 36

3.2.1.4 质量传输超电动势 36

3.2.1.5 实际电池电压 38

3.2.2 热模型 38

3.2.3 湿度模型 39

3.2.3.1 方程建模 39

3.3 模型实施 42

3.4 结果与讨论 44

3.4.1 参数化变量 44

3.4.2 干燥的PEM燃料电池模型的验证 44

3.4.3 湿润PEM燃料电池模型的验证 50

3.5 小结 54

参考文献 54

第4章 动态建模与PEM燃料电池系统的控制 58

4.1 简介 58

4.1.1 燃料电池的基本原理 58

4.1.2 燃料电池的种类 59

4.1.3 典型的燃料电池系统组件 61

4.2 燃料电池系统模型 63

4.2.1 极化曲线建模 64

4.2.2 反应物供应系统模型 67

4.2.2.1 空气供应系统模型 68

4.2.2.2 氢气流模型 73

4.2.3 热管理系统模型 75

4.2.4 仿真研究 77

4.2.4.1 燃料电池仿真 77

4.2.4.2 热管理仿真 80

4.3 燃料电池控制系统 82

4.3.1 流量控制 83

4.3.1.1 阴极流量和压力控制 83

4.3.1.2 阳极压力控制 85

4.3.2 温度控制 87

4.4 小结及展望 90

参考文献 91

第2部分 市场转型与应用 93

第5章 从早期人工燃气历史中得到的关于氢能市场转型的经验教训 93

5.1 简介：人工燃气的历史发展经验 93

5.2 并排比较 94

5.2.1 气体燃料成分和相对的家庭成本 97

5.2.2 人工煤气生产过程 98

5.2.2.1 碳化 99

5.2.2.2 水煤气和增碳水煤气 100

5.2.2.3 石油气 102

5.2.3 城市基础设施的扩展 102

5.3 基础设施发展阶段 104

5.3.1 商业化示范（1785～1816年） 104

5.3.2 早期城市使用者（1816～1850年） 107

5.3.3 煤气的主导地位（1850～1882年） 108

5.3.4 扩张、竞争和适应（1882～1925年） 110

5.3.4.1 Welsbach灯罩 111

5.3.4.2 取暖和烹饪 111

5.3.4.3 与钢铁业的联合 111

5.3.4.4 与电力融合 112

5.3.5 天然气转换（1925～1954年） 112

5.4 小结：人工煤气的类比和启发 115

5.4.1 签订长期合同吸引资金 115

5.4.2 公开市场刺激私人需求 116

5.4.3 竞争孕育创新和纪律 116

5.4.4 市场随着技术发展而演变 117

5.4.5 多元化经营促进适应 118

参考文献 119

第6章 燃料电池技术示范和数据分析 121

6.1 简介 121

6.2 政府资助的燃料电池应用程序的演示和部署 121

6.2.1 轻型汽车 123

6.2.2 重型运输 124

6.2.3 物料装卸设备 125

6.2.4 氢燃料分配 125

6.2.5 备用电源 125

6.3 应用 126

6.4 结果 127

6.4.1 运行时间（结合FCB、FCEV和FCMHE） 128

6.4.2 耐久性（FCEV） 128

6.4.3 氢气填充率（结合FCB、FCEV和FCMHE） 130

6.4.4 燃油经济性（FCEV和FCB） 130

6.4.5 范围（FCEV和FCMHE） 132

6.4.6 氢气的生产和／或消耗（结合FCEV和FCMHE） 133

6.4.7 效率（FCEV） 135

6.4.8 可靠性（FCB和FCBU） 135

6.5 小结 137

6.6 致谢 138

参考文献 138

第7章 基于燃料电池CHHP联产来生产车辆用氢气：影响能源使用、温室气体排放和成本的因素 139

7.1 简介 139

7.2 使用FCPower模型来对燃料电池CHHP系统建模 141

7.2.1 模型化熔融碳酸盐燃料电池CHHP系统的配置和性能 142

7.2.2 主要CHHP和基线系统建模假设 144

7.2.3 地理和建筑型注意事项 146

7.3 影响CHHP系统性能功能特点 151

7.4 影响CHHP的能源使用和排放的条件 152

7.4.1 地理位置：气候与电网电力混合 153

7.4.2 建筑类型 158

7.4.3 燃料电池系统大小相对于建筑电力需求 160

7.5 影响CHHP氢气成本的因素 162

7.5.1 CHHP系统性能 162

7.5.2 区域电力及天然气价格 164

7.6 影响CHHP性能和成本的趋势总结 165

7.7 小结 168

参考文献 169

第8章 混合动力和插电式混合电动汽车 171

8.1 简介 171

8.2 性能特点 172

8.2.1 燃油经济性 172

8.2.2 范围 173

8.2.3 加速 173

8.2.4 爬坡能力 173

8.3 HEV架构 173

8.3.1 电能-分流架构 173

8.3.1.1 发动机串联式混合动力 173

8.3.1.2 燃料电池混合动力系列 174

8.3.1.3 电能-分流性能 175

8.3.2 机械能量分流架构 175

8.3.2.1 并联式混合动力 175

8.3.2.2 串并联混合动力 176

8.3.2.3 机械能量分流性能 176

8.4 燃料电池HEV和PHEV 176

8.4.1 燃料电池HEV 177

8.4.2 燃料电池PHEV 178

8.5 能源管理 180

8.5.1 基于启发式规则的方法 180

8.5.2 滞后（ON-OFF）控制 181

8.5.3 功率跟随控制 181

8.5.3.1 燃料电池空闲 181

8.5.3.2 燃料电池直连 181

8.5.3.3 燃料电池减量 182

8.5.3.4 燃料电池增量 183

8.6 实时优化方法 183

8.6.1 离线或静态优化 183

8.6.2 ECMS 184

参考文献 185

第9章 氢能储存提高风能进入电网的渗透程度 187

9.1 简介 187

9.2 风电部署 187

9.3 高风能进入到电力系统的影响 188

9.3.1 平衡要求 189

9.3.2 电力充足 189

9.3.3 电网 189

9.4 能量储存系统 190

9.4.1 简介 190

9.4.2 能源储存技术 191

9.4.2.1 氢 191

9.4.3 能源储存系统的比较 193

9.4.3.1 能量管理策略在能源储存中的应用 198

9.4.3.2 氢气的分散与集中生产 200

9.5 小结 201

参考文献 201

第10章 氢能设计案例研究 204

10.1 简介 204

10.2 商用氢燃料站 204

10.2.1 氢气的生产评估 205

10.2.2 氢气的压缩和运输 205

10.2.3 加气站的定位和站点确定 205

10.2.4 氢燃料站的组成 206

10.3 住宅区氢气燃料 209

10.3.1 车辆参数 210

10.3.2 氢燃料系统组件 210

10.3.3 氢燃料的操作 211

10.4 氢气在机场的应用 213

10.4.1 氢燃料站 215

10.4.2 辅助发电 215

10.4.3 节能发电 215

10.4.4 氢燃料电池汽车／远程设备 216

10.4.5 公共教育中心 217

10.5 氢气在社会上的其他应用 217

10.5.1 备用电源 218

10.5.2 原料处理 218

10.5.3 可移动电源 219

10.5.4 公共及私人交通 219

10.5.5 公共教育中心 219

10.6 小结 220

10.7 致谢 220

参考文献 220

第3部分 氢气安全 221

第11章 氢气的安全问题 221

11.1 简介 221

11.2 氢气独特的性质和危害 221

11.2.1 易燃性 222

11.2.2 高压和超压性 222

11.2.3 可能会使人窒息 223

11.2.4 几乎看不见的火焰 223

11.3 加氢站 223

11.4 研究和发展氢燃料汽车的车库 227

11.5 气态氢的储存 228

11.6 固定式燃料电池的安装 229

11.7 小结 231

参考文献 231

第12章 氢燃料电池汽车规定、规范和标准 232

12.1 简介 232

12.2 美国氢燃料电池汽车的配置 232

12.3 RCS简述 233

12.4 公路或者客运氢燃料电池车 236

12.5 燃料电池车辆的标准 237

12.6 氢燃料电池工业卡车的标准 239

12.7 未来RCS的发展问题 240

12.8 小结 240

参考文献 241