內容介紹
《質子交換膜燃料電池建模與MATLAB仿真》闡述了質子交換膜燃料電池建模與仿真的基本方法。首先介紹了與質子交換膜燃料電池相關的熱力學和電化學基礎知識，然後系統地介紹了質子交換膜燃料電池內部電荷傳輸、質量傳輸及熱能傳輸的基本原理和守恆方程，分別針對質子交換膜、催化劑層、氣體擴散層、流場板進行建模和仿真計算；然後以微型燃料電池、燃料電池電堆及輔助系統為主要內容進行建模，最後講述模型的驗證方法。《質子交換膜燃料電池建模與MATLAB仿真》以最經典的熱力學及流體力學理論為建模依據，基礎性很強；同時又以目前現有的燃料電池科學研究成果為對比，具有一定的前瞻性。
目錄信息
第1章 燃料電池簡介 （1）
1.1 引言 （1）
1.2 什麼是PEM燃料電池 （2）
1.3 為什麼需要燃料電池 （3）
1.3.1 攜帶型電源 （4）
1.3.2 交通運輸 （4）
1.3.3 固定式電站 （4）
1.4 燃料電池的發展史 （4）
1.5 文獻中的燃料電池數學模型 （6）
1.6 燃料電池數學建模的基本步驟 （8）
本章小結 （10）
思考題 （10）
章節附注 （10）
參考文獻 （11）
第2章 燃料電池熱力學 （12）
2.1 引言 （12）
2.2 焓 （12）
2.3 比熱 （14）
2.4 熵 （21）
2.5 化學反應中的自由能變化 （25）
2.6 燃料電池可逆電壓和淨輸出電壓 （33）
2.7 燃料電池的理論效率 （34）
本章小結 （35）
思考題 （35）
章節附注 （36）
參考文獻 （37）
第3章 燃料電池電化學 （38）
3.1 引言 （38）
3.2 基本的電化學動力學概念 （38）
3.3 電荷傳輸 （39）
3.4 電荷傳輸反應 （41）
3.5 電極動力學 （42）
3.5.1 反應速率因素與活化能 （42）
3.5.2 巴爾特-沃爾默方程 （44）
3.6 電壓損失 （49）
3.7 內部電流和滲透電流 （56）
本章小結 （56）
思考題 （57）
章節附注 （57）
參考文獻 （58）
第4章 燃料電池電荷傳輸 （60）
4.1 引言 （60）
4.2 歐姆極化損失 （60）
4.3 金屬的電子導電性 （68）
4.4 聚合物電解質的離子導電性 （68）
本章小結 （73）
思考題 （73）
章節附注 （74）
參考文獻 （74）
第5章 燃料電池質量傳輸 （75）
5.1 引言 （75）
5.2 燃料電池內部的質量守恆 （75）
5.2.1 質子交換膜燃料電池入口處流量關係 （77）
5.2.2 質子交換膜燃料電池出口處流量關係 （77）
5.2.3 液體、水蒸氣流量及其餘量 （78）
5.3 流道和電極之間的質量對流傳輸 （83）
5.4 電極中的質量擴散傳輸 （84）
5.5 流場中的質量對流傳輸 （87）
5.6 其他文獻中的質量傳輸方程 （92）
5.6.1 菲克擴散定律 （92）
5.6.2 史蒂芬-麥克斯韋方程 （92）
5.6.3 塵氣模型 （93）
本章小結 （94）
思考題 （95）
參考文獻 （95）
第6章 燃料電池熱傳輸 （97）
6.1 引言 （97）
6.2 熱傳輸基本原理 （98）
6.3 燃料電池能量守恆 （100）
6.3.1 總體能量守恆過程 （100）
6.3.2 燃料電池電堆的能量守恆 （101）
6.3.3 燃料電池系統的能量守恆 （102）
6.3.4 節點網路 （105）
6.3.5 平面中的瞬態傳熱[6] （105）
6.3.6 單電池層間的能量守恆 （109）
6.4 燃料電池的熱管理 （120）
6.4.1 空氣冷卻 （120）
6.4.2 邊緣冷卻 （123）
本章小結 （123）
思考題 （124）
章節附注 （124）
參考文獻 （125）
第7章 質子交換膜建模 （127）
7.1 引言 （127）
7.2 質子交換膜的物理描述 （128）
7.3 不同種類的模型 （129）
7.3.1 微觀和物理模型 （130）
7.3.2 擴散模型 （130）
7.3.3 稀薄溶液理論 （131）
7.3.4 濃縮溶液理論 （131）
7.3.5 膜的水含量 （132）
7.3.6 液壓模型 （132）
7.3.7 聯合模型 （133）
7.4 質子交換膜建模案例 （133）
7.4.1 質量和組分守恆 （134）
7.4.2 動量方程 （136）
7.4.3 能量守恆方程 （136）
7.4.4 離子傳輸方程 （137）
7.4.5 界面的水活性 （137）
7.4.6 膜內水活性 （137）
本章小結 （145）
思考題 （145）
章節附注 （146）
參考文獻 （146）
第8章 氣體擴散層建模 （149）
8.1 引言 （149）
8.2 氣體擴散層的物理描述 （150）
8.3 多孔介質建模基礎 （151）
8.3.1 孔結構 （151）
8.3.2 流體特性 （151）
8.3.3 毛細管作用 （151）
8.3.4 滲透率 （152）
8.4 多孔介質傳輸模型 （153）
8.4.1 多孔介質中的自由分子流動 （153）
8.4.2 多孔介質中的黏性流動 （154）
8.4.3 多孔介質的連續擴散 （156）
8.4.4 二元混合物聯合傳輸機理 （156）
8.5 模型種類 （158）
8.5.1 導電性 （159）
8.5.2 蒸發與冷凝 （159）
8.5.3 氣相傳輸 （160）
8.5.4 液態水處理 （161）
8.5.5 嚴格兩相流動模型 （161）
8.6 氣體擴散層建模案例 （162）
8.6.1 無液態支配方程 （164）
8.6.2 無液態，無對流，常流量 （166）
本章總結 （180）
思考題 （181）
章節附注 （181）
參考文獻 （181）
第9章 催化劑層建模 （184）
9.1 引言 （184）
9.2 催化劑層的物理描述 （185）
9.3 通用方程 （186）
9.4 模型類型 （187）
9.4.1 界面模型 （188）
9.4.2 微結構和單孔模型 （189）
9.4.3 多孔電極模型 （190）
9.4.4 聚合物模型 （191）
9.5 催化劑層熱傳遞 （192）
本章小結 （199）
思考題 （199）
章節附注 （199）
參考文獻 （200）
第10章 流場板建模 （203）
10.1 引言 （203）
10.2 流場板材料 （204）
10.3 流場設計 （205）
10.4 流道的截面形狀 （207）
10.5 流道中的壓降 （207）
10.6 板流道和氣體之間的熱傳遞 （213）
本章小結 （222）
思考題 （223）
章節附注 （223）
參考文獻 （224）
第11章 微型燃料電池建模 （226）
11.1 引言 （226）
11.2 文獻中的微型PEM燃料電池 （227）
11.2.1 電極 （228）
11.2.2 雙極板 （228）
11.2.3 堆的設計和結構 （230）
11.3 微流體力學 （232）
11.3.1 納維-斯托克斯方程 （232）
11.3.2 不可壓縮流 （233）
11.3.3 歐拉方程 （233）
11.3.4 斯托克方程 （234）
11.3.5 邊界條件和初始條件 （234）
11.3.6 泊肅葉流 （236）
11.3.7 帶滑移的泊肅葉流 （236）
11.4 流速和壓力 （237）
11.5 氣泡和顆粒 （237）
11.6 毛細管效應 （238）
11.7 單相和兩相壓降 （238）
11.8 微通道內的速度 （240）
本章小結 （248）
思考題 （248）
章節附注 （249）
參考文獻 （251）
第12章 燃料電池堆建模 （254）
12.1 引言 （254）
12.2 燃料電池堆的尺寸設計 （254）
12.3 單電池數量 （255）
12.4 堆結構 （256）
12.5 燃料和氧化劑的分配 （257）
12.6 電堆預緊 （261）
12.6.1 螺栓預緊 （261）
12.6.2 氣體擴散層獲得最佳預緊時電堆上所需的力 （263）
12.6.3 預緊層的螺栓剛度 （264）
12.6.4 擰緊扭矩的計算 （266）
12.6.5 總預緊力相關扭矩 （266）
本章小結 （271）
思考題 （271）
章節附注 （272）
參考文獻 （272）
第13章 燃料電池系統設計 （276）
13.1 引言 （276）
13.2 燃料子系統 （277）
13.2.1 加濕子系統 （277）
13.2.2 風機和鼓風機 （279）
13.2.3 壓縮機 （282）
13.2.4 渦輪機 （286）
13.2.5 泵 （288）
本章小結 （293）
思考題 （293）
章節附注 （294）
參考文獻 （294）
第14章 模型驗證 （296）
14.1 引言 （296）
14.2 殘差 （296）
14.2.1 測量過程的漂移 （296）
14.2.2 獨立隨機誤差 （297）
14.3 隨機誤差的常態分配 （301）
14.4 模型中的丟失項 （304）
14.5 模型中的非必要項 （305）
本章總結 （307）
思考題 （307）
章節附注 （307）
參考文獻 （308）
附錄A （309）
附錄B （310）
附錄C （311）
附錄D （312）
附錄E （313）
附錄F （314）
附錄G （324）
附錄H （325）
附錄I （327）
附錄J （328）
