内容简介
氢燃料电池的建模与仿真技术对揭示其运行机理、优化性能、降低成本和提高可靠性具有至关重要的作用。本书系统性地介绍了燃料电池技术，涵盖了从基础理论到实际应用的多个方面。首先，深入探讨了燃料电池的基本原理和工作机制；随后，以质子交换膜燃料电池与固体氧化物燃料电池为例，重点讲解了不同尺度下燃料电池的建模方法，包括微观的电化学反应模型、中观的传输现象以及宏观的系统多维模型与性能分析；紧接着以金属氢化物和先进碳材料为例，介绍了不同储氢系统的建模仿真方法；最后，结合燃料电池在电动汽车、发电站与热电联产等相关领域的案例研究，提供了多种仿真技术及代码的应用实例，帮助读者理解如何通过计算模型优化燃料电池的设计和运行效率。
本书适用于从事燃料电池研究、开发及应用的工程师、研究人员以及高等院校相关专业的学生，旨在为读者提供全面而深入的燃料电池基础与应用技术参考。
目录
译者序
前言
二维码索引
第1章 燃料电池基本原理 1
1.1 介绍 2
1.1.1 燃料电池发展路线 2
1.1.2 燃料电池运行机制 6
1.1.3 燃料电池类型 9
1.2 热力学 17
1.2.1 吉布斯自由能 18
1.2.2 热力学第二定律与燃料电池 20
1.2.3 燃料电池效率 21
1.2.4 有效因素的作用 22
1.3 电化学反应动力学 28
1.3.1 交换电流密度 29
1.3.2 Butler-Volmer方程 31
1.3.3 有效因素的作用 36
1.4 电荷转移 37
1.4.1 电子电阻 37
1.4.2 离子电阻 38
1.4.3 有效因素的作用 40
1.5 质量传递 41
1.5.1 从流动通道到GDL的对流传质 42
1.5.2 扩散传质 42
1.5.3 有效因素的作用 43
1.6 燃料电池的特性曲线 44
1.7 本章小结 45
思考题 45
参考文献 46
第2章 质子交换膜燃料电池 47
2.1 介绍 48
2.1.1 组成与结构 48
2.1.2 PEMFC中的传输现象 59
2.1.3 PEMFC用氢 103
2.2 PEMFC的微尺度建模与仿真 109
2.2.1 微结构重建 110
2.2.2 孔隙尺度数值模拟方法 115
2.2.3 晶格玻尔兹曼模拟技术 115
2.2.4 水运孔隙网络模拟 139
2.2.5 水传输的流体体积法模型 145
2.3 PEMFC的宏观建模与仿真 148
2.3.1 电池的一维建模 149
2.3.2 有限体积法框架 160
2.3.3 电池的2D/3D建模 169
2.3.4 堆栈的建模 172
2.3.5 PEMFC系统的建模与控制 173
2.3.6 PEMFC冷启动建模 177
2.4 本章小结 179
思考题 180
参考文献 182
第3章 固体氧化物燃料电池 187
3.1 引言 188
3.1.1 部件及结构 188
3.1.2 固体燃料电池系统中的传输现象 191
3.2 固体燃料电池的微观建模与仿真 196
3.2.1 微观结构重建方法 196
3.2.2 反应气体流动的晶格玻尔兹曼模拟 199
3.3 固体燃料电池的宏观建模与仿真 200
3.3.1 一维建模 200
3.3.2 固体燃料电池单元、堆栈和系统的2D/3D模型 203
3.3.3 固体燃料电池系统建模 208
3.4 固体氧化物电解槽的建模 209
3.5 本章小结 209
思考题 210
参考文献 210
第4章 储氢系统 212
4.1 引言 213
4.2 高压罐 214
4.3 储氢罐 215
4.3.1 一维建模 218
4.3.2 CFD模拟 219
4.4 本章小结 221
思考题 221
参考文献 222
第5章 燃料电池电动汽车 223
5.1 介绍 224
5.2 车辆动力学 224
5.2.1 阻力和牵引力 224
5.2.2 车辆性能 227
5.2.3 车辆能耗 228
5.3 燃料电池电动汽车的配置和组件 230
5.3.1 PEMFC和电池模块 230
5.3.2 车辆控制单元 230
5.3.3 牵引电机 232
5.3.4 PEMFC和氢气罐 232
5.4 FCEV的建模与控制 233
5.4.1 性能特征 233
5.4.2 能耗特点 234
5.5 本章小结 238
思考题 238
参考文献 238
第6章 燃料电池发电站 239
6.1 应用 240
6.1.1 住宅领域 240
6.1.2 发电站 241
6.1.3 汽车 242
6.2 SOFC发电站组件 245
6.2.1 主反应堆 245
6.2.2 材料 247
6.2.3 重整器 251
6.2.4 调压器 252
6.2.5 热管理组件 252
6.3 燃料 254
6.3.1 外重整 256
6.3.2 内重整 257
6.3.3 气化 258
6.4 本章小结 262
思考题 263
参考文献 263
第7章 热电联产系统 264
7.1 热电联产和燃料电池 265
7.1.1 燃料电池发热量 265
7.1.2 有效能 270
7.1.3 热经济学 272
7.2 热电联产设计的一般程序 274
7.3 基于SOFC的热电联产系统 275
7.3.1 SOFC与汽轮机联产系统 275
7.3.2 空间增温的应用场景 276
7.3.3 SOFC与脱盐联产系统 276
7.3.4 供电设施中的应用场景 278
7.3.5 高温电池的应用场景 278
7.4 基于PEMFC的热电联产系统 279
7.4.1 基于PEMFC热电联产系统的主要关注点 279
7.4.2 有机朗肯循环 281
7.4.3 热电联产循环计算 283
7.4.4 实例分析 294
7.5 本章小结 301
思考题 301
参考文献 302
附录 304
附录A 格子玻尔兹曼代码 305
A.1 几何生成器 305
A.2 具有纤维障碍的PEMFC流道内等温单相空气流动 305
A.3 多孔介质中流体位移的建模 306
A.
前言/序言
全球变暖和化石燃料资源的枯竭迫使人们广泛研究和开发可再生能源。根据气候专家的预测，在不久的将来，可再生能源的各种应用将在世界各地出现。在可再生能源的领域里，绿色或者说可再生的氢能源（即太阳能发电站等可再生电力产生的氢），将与燃料电池系统共同发挥至关重要的作用。欧盟委员会提出的2050年世界经济净零排放的八种情景都与氢能有关[1]。2020年3月，彭博新能源财经报告指出，到2050年清洁氢的使用可以降低全球温室气体排放量的1/3[2]。氢能可以发挥多种作用，例如可以通过使用电解槽和生产氢燃料来将产生的热量储存在太阳能发电站中，所产生的氢可以用于燃料电池系统，向电网输送电力，用于峰值功率调节。
氢能和燃料电池工程在学术界和工业界都是一个热门的领域。世界上大多数大学都在不同的院系，包括化学工程、能源系统工程、机械工程等，开设燃料电池系统课程。本书涉及燃料电池建模和仿真的各个方面，涵盖了从微观尺度到宏观尺度的内容。对于高等院校的学生来说，其对燃料电池的数值模拟更感兴趣。在工业领域，世界上许多公司都在致力于燃料电池系统的安装。这些公司使用如GT-SUITE、 AVL、 ANSYS、 COMSOL Multiphysics等不同的软件进行燃料电池模拟，这些软件都使用一个或多个数值模型。
本书对有关燃料电池的基础知识进行了详细的介绍和梳理，并且具有很强的系统性，而不只是知识点的简单罗列，有助于读者快速入门燃料电池，掌握相关知识。这本书包括7章和5个附录。第1章简要介绍燃料电池的基础知识，熟悉燃料电池基本原理的读者可以直接研究其他6章。这6章是关于不同应用主题的建模和模拟，从质子交换膜燃料电池、固体氧化物燃料电池和氢存储，到燃料电池电动汽车、燃料电池发电站和基于燃料电池的热电联产系统。第2章主要讨论了质子交换膜燃料电池，在简要介绍了晶格玻尔兹曼方法及其不同部位的输运现象后，介绍了晶格玻尔兹曼、孔隙网络模型、多相流等微尺度仿真技术。然后，建立了单相和多相宏观计算流体力学模型以及用于电池和堆级模拟的一维模型。在所有这些仿真技术中，给出了控制方程和求解程序。第2章还介绍了几个示例、问题及代码。第3章讨论了类似结构的固体氧化物燃料电池，介绍了运输现象、微观模型和宏观模型。第4章介绍了不同的储氢方法及其仿真和建模方法，重点是金属氢化物和先进碳材料的储氢。第5章简要解释了车辆动力学，以及车辆动力系统的一维模型，可用于燃料电池电动汽车的设计和分析，该模型的代码也在附录中提供。最后两章的主题是关于基于燃料电池的发电站和热电联产系统的建模和仿真。由于优化是设计阶段的一个重要因素，其概念在附录中有所解释，并提供了不同的代码来实现不同的优化方法。最后，我们真诚地欢迎任何反馈，如评论、建议、查询、寻找错误、提供更好的解释和讨论其他重要的未讨论的概念。请发送电子邮件到molaeimanesh@iust.ac.ir或ftorabi@kntu.ac.ir，以使本书在再版修订时更为完善。
参考文献
[1] European Commission, A Clean Planet for all. A European long-term strategic vision for a prosperous, modern, competitive and climate neutral economy, Depth Analysis in Support of the Commission; Communication COM 773 (2018) 2018.
[2] Bloomberg NEF, Hydrogen Economy Outlook: Key Messages, New York, USA, 2020.
