第1章 绪论 1
1.1 燃料电池概述 1
1.2 PEM燃料电池 3
1.2.1 PEM燃料电池的发展历史 3
1.2.2 PEM燃料电池的原理 4
1.2.3 PEM燃料电池的组成 5
1.2.4 PEM燃料电池电堆 6
1.2.5 PEM燃料电池系统 7
1.2.6 PEM燃料电池的特点 9
第2章 PEM燃料电池的计算机模拟 10
2.1 PEM燃料电池的模型研究 10
2.1.1 PEM燃料电池的集总与分布参数模型 10
2.1.2 PEM燃料电池动态模型 13
2.1.3 PEM燃料电池神经网络模型 14
2.2 PEM燃料电池的水、热、气模拟研究 15
2.2.1 PEM燃料电池的水管理 15
2.2.2 PEM燃料电池的热管理 17
2.2.3 PEM燃料电池的气管理 19
2.3 PEM燃料电池的模拟平台 19
2.3.1 CFD技术 19
2.3.2 MATLAB/Simulink 20
第3章 PEM燃料电池的数学模型 23
3.1 燃料电池的基本方程 23
3.1.1 质量守恒方程 23
3.1.2 动量守恒方程 24
3.1.3 能量守恒方程 24
3.1.4 组分守恒方程 25
3.2 多孔介质中的扩散模型 25
3.3 水的相变模型 26
3.4 质子交换膜中水的传递模型 26
3.4.1 电迁移 27
3.4.2 压力迁移 27
3.4.3 浓差扩散 28
3.5 催化层中的电化学反应模型 28
3.5.1 Butler-Volmer方程 29
3.5.2 电流守恒方程 29
3.5.3 开路电压控制方程 29
3.5.4 活化极化的控制方程 30
3.5.5 反应物消耗和水生成 30
3.6 PEM燃料电池物性参数模型 30
3.6.1 密度 31
3.6.2 黏度 32
3.6.3 比热容 32
3.6.4 热导率 32
3.6.5 扩散系数 32
3.7 小结 33
第4章 操作参数对电池性能的影响 34
4.1 计算模型分析 34
4.1.1 几何模型、网格划分 34
4.1.2 物性参数 35
4.2 结果及讨论 36
4.2.1 操作压力对电池性能的影响 36
4.2.2 空气流速对电池性能的影响 36
4.2.3 温度对电池性能的影响 37
4.2.4 气体增湿度对电池性能的影响 38
4.3 小结 40
第5章 PEM燃料电池的水传输模拟 41
5.1 流道中的水传输模拟 41
5.1.1 直道中的水传输模拟 41
5.1.2 弯道中的水传输模拟 49
5.1.3 小结 53
5.2 质子交换膜中的水分布 54
5.2.1 几何模型及边界条件 54
5.2.2 计算结果及讨论 57
5.2.3 小结 67
第6章 PEM燃料电池的热模拟 68
6.1 燃料电池运行条件对温度分布的影响 68
6.1.1 几何模型及参数 68
6.1.2 工作电流密度对温度分布的影响 70
6.1.3 气体加湿对温度分布的影响 71
6.1.4 气体压力对温度分布的影响 75
6.1.5 气体过量系数的影响 75
6.1.6 扩散层热导率对温度分布的影响 77
6.1.7 小结 78
6.2 冷却水状态对温度分布的影响 79
6.2.1 冷却流道位置对膜中温度分布的影响 79
6.2.2 冷却水流速对冷却效果的影响 87
6.2.3 冷却流道截面尺寸对冷却效果的影响 90
6.2.4 小结 91
第7章 PEM燃料电池气传输模拟 92
7.1 流道深度对电池性能的影响 92
7.1.1 计算模型 92
7.1.2 结果及分析 93
7.1.3 小结 97
7.2 流道宽度和岸的宽度比对电池性能的影响 97
7.2.1 计算模型 97
7.2.2 结果及分析 98
7.2.3 小结 107
7.3 流道截面形状对电池性能的影响 107
7.3.1 计算模型 108
7.3.2 结果和分析 109
7.3.3 小结 112
第8章 基于分布参数模型的PEM燃料电池动态特性仿真 113
8.1 不同气体湿度下电池动态特征的研究 113
8.1.1 模型分析 113
8.1.2 结果与分析 116
8.1.3 小结 123
8.2 气体传输时电池的动态特征研究 124
8.2.1 模型分析 124
8.2.2 结果与分析 125
8.2.3 小结 130
第9章 基于集总参数模型的PEM燃料电池的动态特性仿真 131
9.1 PEM燃料电池的集总参数模型 131
9.1.1 电化学模型 131
9.1.2 热模型 135
9.2 单电池的建模与仿真 136
9.2.1 电流阶跃变化时电池的动态特性 138
9.2.2 仿真结果与实验数据对比 138
9.2.3 与基于分布参数模型的动态仿真结果对比 143
9.3 电堆的建模与仿真 148
9.3.1 电堆的Simulink模型 148
9.3.2 电堆的动态特性 148
9.4 小结 153
第10章 基于BP神经网络的PEM燃料电池的动态特性仿真 154
10.1 BP神经网络 154
10.1.1 BP神经网络的拓扑结构 154
10.1.2 BP神经网络学习算法 155
10.1.3 BP神经网络学习算法的改进 159
10.2 神经网络的系统辨识 160
1O.2.1 神经网络的系统辨识原理及特点 160
10.2.2 神经网络系统辨识模型的结构 162
10.3 非线性动态系统的神经网络辨识 162
10.4 基于BP神经网络的PEM燃料电池系统辨识 164
10.4.1 学习样本的确定及归一化 164
10.4.2 BP神经网络模型的确定 165
10.4.3 BP神经网络的构建、训练和仿真 167
10.4.4 仿真结果分析 168
10.5 小结 178
附录 主要符号表 179
参考文献 181