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氫燃料電池的建模與仿真技術對揭示其運行機理、優(yōu)化性能、降低成本和提高可靠性具有至關重要的作用。本書系統(tǒng)性地介紹了燃料電池技術，涵蓋了從基礎理論到實際應用的多個方面。首先，深入探討了燃料電池的基本原理和工作機制；隨后，以質子交換膜燃料電池與固體氧化物燃料電池為例，重點講解了不同尺度下燃料電池的建模方法，包括微觀的電化學反應模型、中觀的傳輸現象以及宏觀的系統(tǒng)多維模型與性能分析；緊接著以金屬氫化物和先進碳材料為例，介紹了不同儲氫系統(tǒng)的建模仿真方法；最后，結合燃料電池在電動汽車、發(fā)電站與熱電聯產等相關領域的案例研究，提供了多種仿真技術及代碼的應用實例，幫助讀者理解如何通過計算模型優(yōu)化燃料電池的設計和運行效率。本書適用于從事燃料電池研究、開發(fā)及應用的工程師、研究人員以及高等院校相關專業(yè)的學生，旨在為讀者提供全面而深入的燃料電池基礎與應用技術參考。

全球變暖和化石燃料資源的枯竭迫使人們廣泛研究和開發(fā)可再生能源。根據氣候專家的預測，在不久的將來，可再生能源的各種應用將在世界各地出現。在可再生能源的領域里，綠色或者說可再生的氫能源（即太陽能發(fā)電站等可再生電力產生的氫），將與燃料電池系統(tǒng)共同發(fā)揮至關重要的作用。歐盟委員會提出的2050年世界經濟凈零排放的八種情景都與氫能有關[1]。2020年3月，彭博新能源財經報告指出，到2050年清潔氫的使用可以降低全球溫室氣體排放量的1/3[2]。氫能可以發(fā)揮多種作用，例如可以通過使用電解槽和生產氫燃料來將產生的熱量儲存在太陽能發(fā)電站中，所產生的氫可以用于燃料電池系統(tǒng)，向電網輸送電力，用于峰值功率調節(jié)。氫能和燃料電池工程在學術界和工業(yè)界都是一個熱門的領域。世界上大多數大學都在不同的院系，包括化學工程、能源系統(tǒng)工程、機械工程等，開設燃料電池系統(tǒng)課程。本書涉及燃料電池建模和仿真的各個方面，涵蓋了從微觀尺度到宏觀尺度的內容。對于高等院校的學生來說，其對燃料電池的數值模擬更感興趣。在工業(yè)領域，世界上許多公司都在致力于燃料電池系統(tǒng)的安裝。這些公司使用如GT-SUITE、 AVL、 ANSYS、 COMSOL Multiphysics等不同的軟件進行燃料電池模擬，這些軟件都使用一個或多個數值模型。本書對有關燃料電池的基礎知識進行了詳細的介紹和梳理，并且具有很強的系統(tǒng)性，而不只是知識點的簡單羅列，有助于讀者快速入門燃料電池，掌握相關知識。這本書包括7章和5個附錄。第1章簡要介紹燃料電池的基礎知識，熟悉燃料電池基本原理的讀者可以直接研究其他6章。這6章是關于不同應用主題的建模和模擬，從質子交換膜燃料電池、固體氧化物燃料電池和氫存儲，到燃料電池電動汽車、燃料電池發(fā)電站和基于燃料電池的熱電聯產系統(tǒng)。第2章主要討論了質子交換膜燃料電池，在簡要介紹了晶格玻爾茲曼方法及其不同部位的輸運現象后，介紹了晶格玻爾茲曼、孔隙網絡模型、多相流等微尺度仿真技術。然后，建立了單相和多相宏觀計算流體力學模型以及用于電池和堆級模擬的一維模型。在所有這些仿真技術中，給出了控制方程和求解程序。第2章還介紹了幾個示例、問題及代碼。第3章討論了類似結構的固體氧化物燃料電池，介紹了運輸現象、微觀模型和宏觀模型。第4章介紹了不同的儲氫方法及其仿真和建模方法，重點是金屬氫化物和先進碳材料的儲氫。第5章簡要解釋了車輛動力學，以及車輛動力系統(tǒng)的一維模型，可用于燃料電池電動汽車的設計和分析，該模型的代碼也在附錄中提供。最后兩章的主題是關于基于燃料電池的發(fā)電站和熱電聯產系統(tǒng)的建模和仿真。由于優(yōu)化是設計階段的一個重要因素，其概念在附錄中有所解釋，并提供了不同的代碼來實現不同的優(yōu)化方法。最后，我們真誠地歡迎任何反饋，如評論、建議、查詢、尋找錯誤、提供更好的解釋和討論其他重要的未討論的概念。請發(fā)送電子郵件到molaeimanesh@iust.ac.ir或ftorabi@kntu.ac.ir，以使本書在再版修訂時更為完善。參考文獻[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.

譯者序前言二維碼索引第1章　燃料電池基本原理 11.1　介紹 21.1.1　燃料電池發(fā)展路線 21.1.2　燃料電池運行機制 61.1.3　燃料電池類型 91.2　熱力學 171.2.1　吉布斯自由能 181.2.2　熱力學第二定律與燃料電池 201.2.3　燃料電池效率 211.2.4　有效因素的作用 221.3　電化學反應動力學 281.3.1　交換電流密度 291.3.2　Butler-Volmer方程 311.3.3　有效因素的作用 361.4　電荷轉移 371.4.1　電子電阻 371.4.2　離子電阻 381.4.3　有效因素的作用 401.5　質量傳遞 411.5.1　從流動通道到GDL的對流傳質 421.5.2　擴散傳質 421.5.3　有效因素的作用 431.6　燃料電池的特性曲線 441.7　本章小結 45思考題 45參考文獻 46第2章　質子交換膜燃料電池 472.1　介紹 482.1.1　組成與結構 482.1.2　PEMFC中的傳輸現象 592.1.3　PEMFC用氫 1032.2　PEMFC的微尺度建模與仿真 1092.2.1　微結構重建 1102.2.2　孔隙尺度數值模擬方法 1152.2.3　晶格玻爾茲曼模擬技術 1152.2.4　水運孔隙網絡模擬 1392.2.5　水傳輸的流體體積法模型 1452.3　PEMFC的宏觀建模與仿真 1482.3.1　電池的一維建模 1492.3.2　有限體積法框架 1602.3.3　電池的2D/3D建模 1692.3.4　堆棧的建模 1722.3.5　PEMFC系統(tǒng)的建模與控制 1732.3.6　PEMFC冷啟動建模 1772.4　本章小結 179思考題 180參考文獻 182第3章　固體氧化物燃料電池 1873.1　引言 1883.1.1　部件及結構 1883.1.2　固體燃料電池系統(tǒng)中的傳輸現象 1913.2　固體燃料電池的微觀建模與仿真 1963.2.1　微觀結構重建方法 1963.2.2　反應氣體流動的晶格玻爾茲曼模擬 1993.3　固體燃料電池的宏觀建模與仿真 2003.3.1　一維建模 2003.3.2　固體燃料電池單元、堆棧和系統(tǒng)的2D/3D模型 2033.3.3　固體燃料電池系統(tǒng)建模 2083.4　固體氧化物電解槽的建模 2093.5　本章小結 209思考題 210參考文獻 210第4章　儲氫系統(tǒng) 2124.1　引言 2134.2　高壓罐 2144.3　儲氫罐 2154.3.1　一維建模 2184.3.2　CFD模擬 2194.4　本章小結 221思考題 221參考文獻 222第5章　燃料電池電動汽車 2235.1　介紹 2245.2　車輛動力學 2245.2.1　阻力和牽引力 2245.2.2　車輛性能 2275.2.3　車輛能耗 2285.3　燃料電池電動汽車的配置和組件 2305.3.1　PEMFC和電池模塊 2305.3.2　車輛控制單元 2305.3.3　牽引電機 2325.3.4　PEMFC和氫氣罐 2325.4　FCEV的建模與控制 2335.4.1　性能特征 2335.4.2　能耗特點 2345.5　本章小結 238思考題 238參考文獻 238第6章　燃料電池發(fā)電站 2396.1　應用 2406.1.1　住宅領域 2406.1.2　發(fā)電站 2416.1.3　汽車 2426.2　SOFC發(fā)電站組件 2456.2.1　主反應堆 2456.2.2　材料 2476.2.3　重整器 2516.2.4　調壓器 2526.2.5　熱管理組件 2526.3　燃料 2546.3.1　外重整 2566.3.2　內重整 2576.3.3　氣化 2586.4　本章小結 262思考題 263參考文獻 263第7章　熱電聯產系統(tǒng) 2647.1　熱電聯產和燃料電池 2657.1.1　燃料電池發(fā)熱量 2657.1.2　有效能 2707.1.3　熱經濟學 2727.2　熱電聯產設計的一般程序 2747.3　基于SOFC的熱電聯產系統(tǒng) 2757.3.1　SOFC與汽輪機聯產系統(tǒng) 2757.3.2　空間增溫的應用場景 2767.3.3　SOFC與脫鹽聯產系統(tǒng) 2767.3.4　供電設施中的應用場景 2787.3.5　高溫電池的應用場景 2787.4　基于PEMFC的熱電聯產系統(tǒng) 2797.4.1　基于PEMFC熱電聯產系統(tǒng)的主要關注點 2797.4.2　有機朗肯循環(huán) 2817.4.3　熱電聯產循環(huán)計算 2837.4.4　實例分析 2947.5　本章小結 301思考題 301參考文獻 302附錄 304附錄A　格子玻爾茲曼代碼 305A.1　幾何生成器 305A.2　具有纖維障礙的PEMFC流道內等溫單相空氣流動 305A.3　多孔介質中流體位移的建模 306A.4　使用格子玻爾茲曼方法的PEMFC陰極催化劑層建模 306附錄B　用于PEMFC仿真的MATLAB代碼 307附錄C　優(yōu)化方法 308C.1　優(yōu)化的概念 308C.2　優(yōu)化方法分類 310C.3　在C 中實現優(yōu)化方法 312C.4　總結 314參考文獻 315附錄D　基于ANSYS Fluent的MH油箱仿真UDF 315附錄E　計算FCEV能量消耗的MATLAB代碼 315

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