質子交換膜燃料電池水熱管理（簡體書）

質子交換膜燃料電池是一種清潔、高效的電化學能量轉化裝置，其內部存在電化學反應、多相流動及傳熱等複雜的物理化學過程。探究質子交換膜燃料電池內部反應及傳輸過程機理，並通過電池設計優化實現這些過程的有效調控，稱為質子交換膜燃料電池水熱管理。良好的水熱管理，對於提升電池性能和耐久性具有重要的意義。《質子交換膜燃料電池水熱管理》共8章，以質子交換膜燃料電池水熱管理為核心，系統詳細地介紹了燃料電池基礎及水熱管理，各部件工作原理與傳輸機制，表徵測試及診斷分析，部件內部多相流動和電極動力學仿真，單電池、電堆以及系統層面的水熱管理與建模分析。

焦魁，天津大學內燃機燃燒學國家重點實驗室教授、博士生導師。主要從事能源利用和工程熱物理方面的研究工作。近年來主持燃料電池相關項目30余項，包括國家優秀青年基金、英國皇家學會牛頓高級學者基金、國家重點研發計劃課題等國家和省部級項目，以及上汽、一汽、濰柴、捷氫、博世、新源動力等企業委託研發項目。所開發的燃料電池仿真模型在多家企業得到成功應用。擔任期刊Energy and AI創刊副主編、中國內燃機學會燃料電池發動機分會副主任委員。獲得霍英東青年教師獎、吳仲華青年學者獎等榮譽。

目錄



序一



序二



前言



符號表



第1章 導論 1



1.1 質子交換膜燃料電池在能源環境問題中的角色 1



1.2 質子交換膜燃料電池基礎 3



1.2.1 工作原理 3



1.2.2 基礎結構 4



1.2.3 燃料電池熱力學 5



1.2.4 燃料電池反應動力學 9



1.2.5 燃料電池的輸出性能 12



1.2.6 燃料電池的效率 14



1.3 質子交換膜燃料電池水熱管理 16



1.3.1 水熱管理 16



1.3.2 水熱管理的研究內容及現狀 18



參考文獻 20



第2章 各部件工作原理與傳輸機制 23



2.1 水熱管理中的“水”和“熱” 23



2.1.1 水的狀態 23



2.1.2 電池中的產熱與散熱 24



2.2 極板和流場 25



2.2.1 傳統流場 25



2.2.2 三維流場 29



2.2.3 多孔介質流場 31



2.3 電解質 33



2.3.1 電解質及水的狀態 33



2.3.2 電解質內質子傳輸 35



2.3.3 電解質內水傳輸 36



2.3.4 電解質內氣體傳輸 40



2.4 多孔電極 42



2.4.1 多孔電極結構 42



2.4.2 多孔電極內的擴散與對流 47



2.4.3 多孔區域內水的相變 49



2.4.4 催化層內水的狀態和傳輸 51



2.4.5 多孔電極內電傳輸 53



本章小結 54



參考文獻 54



第3章 質子交換膜燃料電池表徵測試及診斷分析 57



3.1 實驗方法概述 57



3.2 宏觀特性表徵 58



3.2.1 極化曲線 58



3.2.2 機械振動 58



3.2.3 重力特性 59



3.2.4 低溫啟動 60



3.2.5 耐久性 62



3.3 電化學表徵 64



3.3.1 電化學阻抗譜法 65



3.3.2 高頻阻抗 72



3.3.3 電流中斷法 74



3.3.4 循環伏安法 74



3.3.5 線性掃描伏安法 76



3.3.6 一氧化碳溶出伏安法 78



3.4 分佈特性表徵 79



3.4.1 電流密度分佈 79



3.4.2 電化學阻抗譜法分佈 81



3.4.3 組分分佈 81



3.4.4 溫度分佈 82



3.5 可視化 83



3.5.1 光學透明電池 84



3.5.2 X射線成像 85



3.5.3 中子成像 86



3.5.4 核磁共振成像 87



3.6 材料離線表徵 88



3.6.1 多孔性與滲透性 88



3.6.2 膜電導率 89



3.6.3 微觀結構分析 89



3.6.4 粒度分析 92



3.6.5 元素分析 94



本章小結 95



參考文獻 96



習題與實戰 99



第4章 燃料電池部件內部多相流動和電極動力學仿真 101



4.1 數值方法回顧 101



4.2 流道內的模擬 102



4.2.1 流動現象概述 102



4.2.2 宏觀數值方法對運動界面的處理 104



4.2.3 格子玻爾茲曼方法在流道中的應用 109



4.2.4 流道內的湍流流動模擬 114



4.3 多孔介質內的模擬 117



4.3.1 多孔介質內物理問題概述 117



4.3.2 多孔介質微觀結構重構 118



4.3.3 VOF方法在多孔介質內的應用 131



4.3.4 格子玻爾茲曼方法在多孔介質內的應用 133



本章小結 147



參考文獻 147



習題與實戰 153



第5章 單電池水熱管理與建模分析 154



5.1 單電池水熱管理仿真模型簡介 154



5.2 CFD數值模型 155



5.2.1 流場內氣液兩相流動過程仿真分析 156



5.2.2 單電池多孔電極內傳輸過程建模分析 160



5.2.3 膜態水傳輸過程 165



5.2.4 離子和電子傳輸過程 166



5.2.5 熱傳輸過程 174



5.2.6 模型驗證 175



5.2.7 網格獨立性 178



5.2.8 CFD數值模型計算 179



5.2.9 CFD數值模型結果 179



5.2.10冷啟動工況 186



5.3 低維模型 188



5.3.1 一維穩態模型 189



5.3.2 准二維瞬態模型 194



本章小結 200



參考文獻 200



習題與實戰 202



第6章 電堆水熱管理與建模分析 203



6.1 質子交換膜燃料電池堆及其水熱管理 203



6.1.1 電堆結構 203



6.1.2 電堆封裝 206



6.1.3 電堆的冷卻 207



6.1.4 電堆水熱管理 210



6.2 電堆三維數值模型 211



6.2.1 電堆歧管模型 212



6.2.2 包含全電池的電堆模型 212



6.3 電堆低維模型 218



6.3.1 流體網絡模型 219



6.3.2 一維電堆模型中的熱邊界 221



本章小結 223



參考文獻 223



習題與實戰 225



第7章 系統設計與水熱管理分析 226



7.1 燃料電池系統概述 226



7.1.1 氫氣製備、提純與儲存工藝 227



7.1.2 氣體供給系統 231



7.1.3 加濕系統 236



7.1.4 熱管理系統 238



7.1.5 燃料電池汽車動力系統 240



7.2 輔助子系統模型 243



7.2.1 膜加濕器模型 243



7.2.2 電化學氫氣泵模型 248



7.2.3 空氣壓縮機模型 254



7.2.4 熱管理系統模型 259



7.2.5 系統仿真模型 264



7.3 燃料電池系統熱力學分析 267



7.3.1 能量分析法 268



7.3.2 分析法 268



7.4 系統控制策略與故障規律 270



7.4.1 控制策略 270



7.4.2 故障規律 272



本章小結 273



參考文獻 274



習題與實戰 277



第8章 總結與展望 278



參考文獻 279



附錄 281