质子交换膜燃料电池水热管理

质子交换膜燃料电池是一种清洁、高效的电化学能量转化装置，其内部存在电化学反应、多相流动及传热等复杂的物理化学过程。探究质子交换膜燃料电池内部反应及传输过程机理，并通过电池设计优化实现这些过程的有效调控，称为质子交换膜燃料电池水热管理。良好的水热管理，对于提升电池性能和耐久性具有重要的意义。本书共8章，以质子交换膜燃料电池水热管理为核心，系统详细地介绍了燃料电池基础及水热管理，各部件工作原理与传输机制，表征测试及诊断分析，部件内部多相流动和电极动力学仿真，单电池、电堆以及系统层面的水热管理与建模分析。

序一
序二
前言
符号表
第1章 导论 1
1.1 质子交换膜燃料电池在能源环境问题中的角色 1
1.2 质子交换膜燃料电池基础 3
1.2.1 工作原理 3
1.2.2 基础结构 4
1.2.3 燃料电池热力学 5
1.2.4 燃料电池反应动力学 9
1.2.5 燃料电池的输出性能 12
1.2.6 燃料电池的效率 14
1.3 质子交换膜燃料电池水热管理 16
1.3.1 水热管理 16
1.3.2 水热管理的研究内容及现状 18
参考文献 20
第2章 各部件工作原理与传输机制 23
2.1 水热管理中的“水”和“热” 23
2.1.1 水的状态 23
2.1.2 电池中的产热与散热 24
2.2 极板和流场 25
2.2.1 传统流场 25
2.2.2 三维流场 29
2.2.3 多孔介质流场 31
2.3 电解质 33
2.3.1 电解质及水的状态 33
2.3.2 电解质内质子传输 35
2.3.3 电解质内水传输 36
2.3.4 电解质内气体传输 40
2.4 多孔电极 42
2.4.1 多孔电极结构 42
2.4.2 多孔电极内的扩散与对流 47
2.4.3 多孔区域内水的相变 49
2.4.4 催化层内水的状态和传输 51
2.4.5 多孔电极内电传输 53
本章小结 54
参考文献 54
第3章 质子交换膜燃料电池表征测试及诊断分析 57
3.1 实验方法概述 57
3.2 宏观特性表征 58
3.2.1 极化曲线 58
3.2.2 机械振动 58
3.2.3 重力特性 59
3.2.4 低温启动 60
3.2.5 耐久性 62
3.3 电化学表征 64
3.3.1 电化学阻抗谱法 65
3.3.2 高频阻抗 72
3.3.3 电流中断法 74
3.3.4 循环伏安法 74
3.3.5 线性扫描伏安法 76
3.3.6 一氧化碳溶出伏安法 78
3.4 分布特性表征 79
3.4.1 电流密度分布 79
3.4.2 电化学阻抗谱法分布 81
3.4.3 组分分布 81
3.4.4 温度分布 82
3.5 可视化 83
3.5.1 光学透明电池 84
3.5.2 X射线成像 85
3.5.3 中子成像 86
3.5.4 核磁共振成像 87
3.6 材料离线表征 88
3.6.1 多孔性与渗透性 88
3.6.2 膜电导率 89
3.6.3 微观结构分析 89
3.6.4 粒度分析 92
3.6.5 元素分析 94
本章小结 95
参考文献 96
习题与实战 99
第4章 燃料电池部件内部多相流动和电极动力学仿真 101
4.1 数值方法回顾 101
4.2 流道内的模拟 102
4.2.1 流动现象概述 102
4.2.2 宏观数值方法对运动界面的处理 104
4.2.3 格子玻尔兹曼方法在流道中的应用 109
4.2.4 流道内的湍流流动模拟 114
4.3 多孔介质内的模拟 117
4.3.1 多孔介质内物理问题概述 117
4.3.2 多孔介质微观结构重构 118
4.3.3 VOF方法在多孔介质内的应用 131
4.3.4 格子玻尔兹曼方法在多孔介质内的应用 133
本章小结 147
参考文献 147
习题与实战 153
第5章 单电池水热管理与建模分析 154
5.1 单电池水热管理仿真模型简介 154
5.2 CFD数值模型 155
5.2.1 流场内气液两相流动过程仿真分析 156
5.2.2 单电池多孔电极内传输过程建模分析 160
5.2.3 膜态水传输过程 165
5.2.4 离子和电子传输过程 166
5.2.5 热传输过程 174
5.2.6 模型验证 175
5.2.7 网格独立性 178
5.2.8 CFD数值模型计算 179
5.2.9 CFD数值模型结果 179
5.2.10 冷启动工况 186
5.3 低维模型 188
5.3.1 一维稳态模型 189
5.3.2 准二维瞬态模型 194
本章小结 200
参考文献 200
习题与实战 202
第6章 电堆水热管理与建模分析 203
6.1 质子交换膜燃料电池堆及其水热管理 203
6.1.1 电堆结构 203
6.1.2 电堆封装 206
6.1.3 电堆的冷却 207
6.1.4 电堆水热管理 210
6.2 电堆三维数值模型 211
6.2.1 电堆歧管模型 212
6.2.2 包含全电池的电堆模型 212
6.3 电堆低维模型 218
6.3.1 流体网络模型 219
6.3.2 一维电堆模型中的热边界 221
本章小结 223
参考文献 223
习题与实战 225
第7章 系统设计与水热管理分析 226
7.1 燃料电池系统概述 226
7.1.1 氢气制备、提纯与储存工艺 227
7.1.2 气体供给系统 231
7.1.3 加湿系统 236
7.1.4 热管理系统 238
7.1.5 燃料电池汽车动力系统 240
7.2 辅助子系统模型 243
7.2.1 膜加湿器模型 243
7.2.2 电化学氢气泵模型 248
7.2.3 空气压缩机模型 254
7.2.4 热管理系统模型 259
7.2.5 系统仿真模型 264
7.3 燃料电池系统热力学分析 267
7.3.1 能量分析法 268
7.3.2 分析法 268
7.4 系统控制策略与故障规律 270
7.4.1 控制策略 270
7.4.2 故障规律 272
本章小结 273
参考文献 274
习题与实战 277
第8章 总结与展望 278
参考文献 279
附录 281