【質子交換膜燃料電池混合動力、故障診斷和預測】

編輯推薦

燃料電池科技由於其零排放、高能效以及補能速度快的特性，被譽為未來新能源汽車的理想科技方案，是我國實現碳中和目標的重要科技路徑之一。

如今隨著研究的深入，燃料電池科技日趨成熟，汽車產業也有不少商業化應用的實例。 可以預見的是，氫燃料電池科技將會成為未來汽車行業研究的熱點科技。

在此背景下，機械工業出版社引進翻譯並組織出版了這本《質子交換膜燃料電池混合動力、故障診斷和預測》。 本書是法國國家燃料電池實驗室丹尼爾·希塞爾教授的著作，

重點介紹了燃料電池系統及應用，燃料電池混合動力科技、故障診斷和預測等內容，以質子交換膜燃料電池為切入點，根據法國國家科學研究中心氫燃料電池測試平臺和實際應用系統（尤其是氫燃料電池電動汽車整車）的實測數據，對一些研究方法進行了系統性評估，使讀者可以逐步瞭解相關的效益、 研究方法和應對策略，比如研究需求是什麼、氫燃料電池的特殊限制條件是什麼、有哪些可行的方法、原理是什麼、可選擇哪種測試方法以及預期結果是什麼等。

本書可為從事氫燃料電池系統集成研發工作的工程師和研究人員提供借鑒和參攷。

內容簡介

燃料電池（FC）是本書的研究重點。 它是一種電化學發電機，將燃料（氫）和氧化劑（空氣中的氧）之間反應的化學能轉換成電、熱和水，可用於固定或移動式電源或交通運輸。 為了實現無碳排放交通運輸，將氫能載體與燃料電池相結合已成為一種日益成熟的解決方案。 本書重點介紹了燃料電池系統及應用，燃料電池混合動力科技、故障診斷和預測等內容，以質子交換膜燃料電池為切入點，根據法國國家科學研究中心氫燃料電池測試平臺和實際應用系統（尤其是氫燃料電池電動汽車整車）的實測數據，對一些研究方法進行了系統性評估， 使讀者可以逐步瞭解相關的效益、研究方法和應對策略，比如研究需求是什麼、氫燃料電池的特殊限制條件是什麼、有哪些可行的方法、原理是什麼、可選擇哪種測試方法以及預期結果是什麼等。 本書可為從事氫燃料電池系統集成研發工作的工程師和研究人員提供借鑒和參攷。

CopyrightIEEE Ltd 2018.

All Rights Reserved.This translation published under license. Authorized translation from the English language edition，entitled Hybridization，Diagnostic and Prognostic of Pem Fuel Cells，ISBN:978-1-786-30167-3，by Samir Jeme，Published by IEEE Ltd and John Wiley & Sons.No part of this book may be reproduced in any form without the written permission of the original copyrights holder.

本書中文簡體字版由Wiley授權機械工業出版社出版。 未經出版者書面允許，本書的任何部分不得以任何管道複製或抄襲。 版權所有，翻印必究。

目錄

序

引言

第1章燃料電池：氫能革命之路

1.1概述

1.2能源：全球視角

1.2.1傳統的能源模式

1.2.2能源結構脫碳的解決方案

1.3氫能載體及制氫科技

1.3.1化石能源制氫

1.3.2電解水制氫

1.3.3生物質制氫

1.3.4儲氫

1.4燃料電池及其應用

1.4.1燃料電池簡史

1.4.2燃料電池的復興

1.4.3燃料電池的應用

1.5本章小結

第2章從燃料電池單體到系統

2.1概述

2.2交通運輸和固定供能領域的燃料電池科技

2.2.1燃料電池科技介紹

2.2.2燃料電池工作原理

2.2.3燃料電池科技對比

2.3系統分析

2.3.1輔助裝置

2.3.2系統架構

2.4燃料電池系統的局限性

2.5本章小結

第3章混合動力發動機

3.1概述

3.2混合電源

3.2.1面向交通領域的混合動力

3.2.2混合動力系統的能源管理

3.3燃料電池發電機的混動科技

3.3.1小波變換法在能量管理中的應用

3.3.2ARIMA模型在能量管理中的應用

3.3.3NARNN在能量管理中的應用

3.3.4自我調整NARNN和自我調整ARIMA的比較

3.4其他混合動力發動機科技

3.4.1系統的拓撲結構及模型

3.4.2能量管理策略

3.4.3二型模糊邏輯與模糊控制器的優化

3.4.4模擬結果

3.5本章小結

第4章燃料電池發動機的故障診斷和預測

4.1概述

4.2燃料電池及其系統的效能衰减現象

4.2.1可逆衰减與不可逆衰减

4.2.2燃料電池組件的衰减

4.2.3燃料電池的衰减機理

4.2.4燃料電池系統的故障

4.3燃料電池故障診斷

4.3.1用於燃料電池的故障診斷方法

4.3.2已開發的故障診斷方法

4.3.3基於k-NN方法的診斷結果

4.3.4基於小波變換方法的診斷結果

4.3.5基於其他診斷方法的結果

4.4燃料電池的故障預測

4.4.1從故障預測到PHM

4.4.2故障預測方法的開發

4.4.3ANFIS方法的預測結果

4.4.4基於ESN方法的預測結果

4.5本章小結

總結和結論

參考文獻

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【質子交換膜燃料電池基礎與效能計算】

編輯推薦

1.本書從什麼是燃料電池講起，介紹了相關的發展歷史、基本原理和燃料電池分類； 之後沿著燃料電池基礎化學和熱力學、電化學、效率、組件資料、運行條件的思路，從數值的角度詳細介紹了如何運用公式描述燃料電池的催化反應、熱力學過程、運行效能等一系列過程，由此引入運用這些方程如何操作和模擬計算質子交換膜燃料電池的效能，包括數值建模、流場設計、性能優化等； 最後總結歸納了質子交換膜燃料電池在汽車、固定電源、可擕式電源、軍事等領域的應用和科技現狀，並指明了各個領域需要解决的問題。 本書對PEM燃料電池基礎知識和效能計算方法做了系統性的介紹，部分內容用圖表或方程式進行說明，簡潔明瞭，通俗易懂。

2.本書的作者擁有完整的質子交換膜燃料電池技術研發經驗，具備超10年的流動動力學知識使用經驗和電池電化學相關的研究歷史，曾經參與過質子交換膜燃料電池相關的國家標準的製定，有能力支撐本書的研究工作，可以為研究成果的水准與質量提供保證。

3.本書適於從事PEM燃料電池研究與工程開發的科技工作者閱讀，也可作為高年級大學生、研究生的教學參考書。

內容簡介

質子交換膜（proton exchange membrane，PEM）燃料電池是一種將氫能直接轉換為電能的電化學發電裝置，其內部存在多相多組分耦合的電化學反應、流動和傳熱等過程。 通過數值方法探究其內部複雜的電化學和傳熱傳質過程，是一種比實驗途徑更高效、更快捷、成本更低的流體動力學方法，可以指導提升電池的效能、耐久性和壽命。

本書簡述了燃料電池的原理、分類和特點，基礎化學和熱力學，電化學，關鍵資料的物理特性參數，電池的運行條件和數值計算方法，基於OpenFOAM平臺燃料電池數值模型的結構、操作使用和驗證，以及電池組裝條件下的組裝力、內阻、物質傳輸和效能計算。 全書的重點是PEM燃料電池的基礎原理和效能計算方法。 最後從燃料電池技術特點的角度，分析了燃料電池在汽車動力、各式電源、船用動力、航空航太等領域的應用和科技現狀，並且指明了各個領域需要解决的問題。

本書適於從事PEM燃料電池研究和應用的科技工作者閱讀，也可供高等院校相關專業師生參攷。

目錄

前言

第1章燃料電池概述1

1.1什麼是燃料電池？ 1

1.2發展歷史3

1.3組成和原理5

1.4分類和特點7

1.5燃料電池系統9

第2章燃料電池基礎化學和熱力學13

2.1基本反應13

2.2反應熱13

2.3氫氣的高低熱值14

2.4理論電功15

2.5理論電壓16

2.6溫度的影響17

2.7理論效率19

2.8卡諾效率神話21

2.9壓力的影響22

2.10？ 總結24

第3章燃料電池電化學26

3.1電極動力學26

3.1.1反應速率26

3.1.2反應常數和傳遞係數27

3.1.3電流電壓關係：Butler-Volmer方程28

3.1.4交換電流密度30

3.2電壓損失30

3.2.1活化極化31

3.2.2內電流和交叉損耗33

3.2.3歐姆（電阻）極化35

3.2.4濃差極化36

3.3電池電壓：極化曲線38

3.4電池內部的電位分佈40

3.5極化曲線參數的靈敏度41

3.5.1傳遞係數/塔費爾斜率的影響42

3.5.2交換電流密度的影響43

3.5.3氫交叉和內部電流損失的影響44

3.5.4內阻的影響45

3.5.5極限電流密度的影響45

3.5.6工作壓力的影響46

3.5.7空氣與氧氣的影響47

3.5.8工作溫度的影響47

3.6燃料電池效率48

3.7燃料電池極化曲線的含義和應用50

3.7.1極化曲線產生的其他曲線50

3.7.2極化曲線的線性近似52

3.7.3應用極化曲線確定燃料電池尺寸53

第4章燃料電池資料物性數學描述57

4.1電池內過程描述57

4.2膜58

4.2.1吸水量60

4.2.2物理性質61

4.2.3質子電導率62

4.2.4水傳輸63

4.2.5氣體滲透66

4.2.6高溫膜69

4.3電極69

4.4氣體擴散層73

4.4.1處理和塗層74

4.4.2孔隙率75

4.4.3電導率76

4.4.4可壓縮性76

4.4.5滲透性77

4.5雙極板77

4.5.1資料78

4.5.2特性79

第5章燃料電池運行條件83

5.1工作壓力83

5.2工作溫度85

5.3反應物流速8 7

5.4反應物濕度91

5.5質量平衡93

5.5.1入口流量93

5.5.2出口流量95

5.6能量平衡97

第6章PEM燃料電池效能計算方法99

6.1模型假設100

6.2控制方程100

6.2.1品質守恆100

6.2.2動量守恆101

6.2.3組分守恒102

6.2.4能量守恒104

6.2.5電荷守恒104

6.2.6電化學反應105

6.3幾何建模107

6.4邊界條件和參數設置112

6.5模型驗證113

6.6操作使用115

6.7求解器結構118

6.7.1網格、物性和場118

6.7.2流體物質和關聯的場119

6.7.3化學反應119

6.7.4全場ID120

6.7.5面到面插值120

6.7.6氣體擴散模型120

6.7.7程式反覆運算迴圈120

第7章PEM燃料電池組裝力計算122

7.1氣體擴散層變形122

7.1.1機械模型123

7.1.2孔隙率、電導率和傳熱係數125

7.2傳質阻力129

7.3組裝力對電池效能的影響131

第8章PEM燃料電池內阻計算134

8.1內阻組成134

8.2膜電阻135

8.3雙極板與氣體擴散層的接觸電阻135

8.3.1接觸電阻數值模型136

8.3.2預測接觸電阻137

8.4體電阻138

8.4.1電荷傳輸驅動力138

8.4.2體電阻數值模型140

8.4.3電荷傳導142

8.5其他接觸電阻144

8.6內阻對電池效能的影響145

第9章燃料電池應用147

9.1汽車動力148

9.1.1乘用車148

9.1.2公共汽車151

9.1.3多功能車151

9.1.4應用現狀152

9.2固定電源154

9.2.1固定式燃料電池系統分類154

9.2.2系統配寘156

9.2.3應用現狀156

9.3備用電源158

9.4小型可擕式電源159

9.5船用動力161

9.5.1船舶161

9.5.2潜艇163

9.6航空航太165

9.6.1航空165

9.6.2航太166

附？ 錄主要符號170

參考文獻176