燃料电池的建模与控制及其在分布式发电中的应用

燃料电池技术近年来得到了快速的发展，尤其是在分布式发电的应用领域。本书除介绍质子交换膜燃料电池的建模外，还介绍了固体氧化物燃料电池和电解器的模型，同时分析了用于燃料电池的电力电子接口电路、并网型和独立型燃料电池发电系统的控制、混合型燃料电池能量系统，以及对燃料电池的挑战与展望。值得肯定的是，本书中所有的模型在PSpice和MATLAB中都有建立，同时在书中给出了本书所有模型的仿真文件。本书对从事分布式发电、燃料电池方面工作的技术人员以及相关专业的高校师生，将会提供极大的帮助。

译者序原书前言原书致谢第1章绪论111背景：美国电网的形成与重构简介212电力管制放开和分布式发电513分布式电源的类型614燃料电池分布式电源815氢能经济11151简介11152转型到氢能经济的挑战12153氢的生产12154氢能的存储和配送16155美国能源部的与氢有关的活动16156本书的任务18参考文献20第2章燃料电池的工作原理2221引言2322元素的化学能与热能2323热力学基础24231热力学第一定律24232热力学第二定律2424电化学基础26241吉布斯自由能2625化学反应中的能量平衡2726能斯特方程2827燃料电池的基础2928燃料电池的类型3029燃料电池等效电路39210双电层电容效应40211总结41参考文献42第3章质子交换膜燃料电池的动态建模与仿真4331引言: 燃料电池动态模型的需求4432专门术语（PEMFC）4433PEMFC的动态模型建立47燃料电池的建模与控制及其在分布式发电中的应用目录331电极上的气体扩散48332物质守恒50333PEMFC的输出电压50334PEMFC的电压降51335PEMFC热力学平衡5334PEMFC的模型结构5435PEMFC的等效电路模型5536PEMFC模型的验证59参考文献64第4章固体氧化物燃料电池的动态建模与仿真6541引言6642术语（SOFC）6643SOFC动态建模68431有效分压69432物质守恒71433SOFC输出电压72434管状SOFC的热力学能量平衡7644SOFC动态模型结构7845恒定燃料流量操作下SOFC模型的响应特性79451稳态特性79452动态响应8146恒定燃料利用率模式下的SOFC模型响应85461稳态特性86462动态响应87参考文献88第5章电解槽的运行原理和建模9051电解槽的运行原理9152电解槽的动态建模92521电解槽的静态（V-I）特性93522制氢速率的建模93523电解槽的热模型9453电解槽模型的实现95参考文献97第6章应用于燃料电池的功率变换器9861引言9962功率半导体开关器件的概述100621二极管100622晶闸管100623双极结型晶体管101624金属-氧化物半导体场效应晶体管102625门极可关断晶闸管103626绝缘栅双极型晶体管103627MOS控制晶闸管10463AC/DC整流器105631电路拓扑105632三相可控整流器的简化模型10764DC/DC变换器110641升压变换器110642降压变换器11465三相DC/AC逆变器117651电路拓扑117652状态空间模型119653abc/dq变换122654dq坐标系下状态空间模型123655三相VSI的理想模型124参考文献127第7章并网型燃料电池发电系统的控制12871引言12972并网系统的配置129721PEMFC单元的配置130722SOFC单元的配置13173DC/DC变换器和逆变器的控制器的设计132731升压DC/DC变换器电路和控制器的设计132732三相VSI的控制器的设计13674仿真结果143741期望输出到电网的有功和无功功率——重载143742轻载情况下向电网输出有功功率、从电网吸收无功功率146743燃料电池的负载性能跟随分析150744故障分析15275总结154参考文献154第8章独立型燃料电池发电系统的控制15781引言15882系统描述和控制策略15883减缓负载瞬变控制159831铅酸蓄电池的电路模型160832电池充/放电控制器161833滤波器的设计16284仿真结果163841负载的暂态变化163842负载瞬变减缓166843蓄电池充/放电控制器17085总结172参考文献172第9章基于混合燃料电池的能源系统案例研究17491引言17592混合电子接口系统176921直流耦合系统176922交流耦合系统178923不同于并网系统的独立运行系统17893热电混合运行模式下的燃料电池17994案例研究Ⅰ：风能-光伏-燃料电池混合式独立发电系统180941系统结构180942系统单元规格182943系统组件特性185944系统控制186945仿真结果19195案例研究Ⅱ：混合运行模式SOFC的效率评估196951热力学定律与SOFC效率196952氢燃料热值200953SOFC电效率201954混合热电联产运行模式SOFC的效率20296总结204参考文献204第10章燃料电池目前的挑战和发展趋势210101引言211102燃料电池系统运行2111021燃料处理器2111022燃料电池堆2121023功率调节器系统2131024发电厂平衡(BOP)系统215103当前的挑战和机遇2161031成本2161032燃料和燃料基础设施2161033材料和制造217104美国燃料电池研发项目2181041美国能源部的SOFC相关项目218105燃料电池的未来：综述和作者的观点219参考文献220附录运行PEMFC、SOFC模型及其分布式发电应用模型的指南223