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A 309
附录B 310
附录C 311
附录D 312
附录E 313
附录F 314
附录G 324
附录H 325
附录I 327
附录J 328