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第1章 绪论1

1.1 质子交换膜燃料电池4

1.1.1 质子交换膜燃料电池的发展历史4

1.1.2 质子交换膜燃料电池的特点6

1.1.3 质子交换膜燃料电池的应用8

1.1.4 质子交换膜燃料电池的发展方向11

1.2 质子交换膜燃料电池的水管理11

1.2.1 质子交换膜燃料电池的水分及其迁移11

1.2.2 质子交换膜燃料电池中水管理的方法13

参考文献15

第2章 质子交换膜燃料电池的工作原理与关键部件17

2.1 质子交换膜燃料电池的工作原理17

2.2 质子交换膜燃料电池的关键部件18

2.2.1 质子交换膜18

2.2.2 电极催化剂25

2.2.3 电极31

2.2.4 膜电极36

2.2.5 双极板37

参考文献41

第3章 质子交换膜燃料电池的理论计算46

3.1 质子交换膜燃料电池的热力学性质46

3.1.1 Gibbs自由能46

3.1.2 Nernst电动势47

3.2 质子交换膜燃料电池的动力学48

3.2.1 开路电压49

3.2.2 极化作用50

3.3 反应气体流量的计算52

3.3.1 氧化剂用量52

3.3.2 燃料气体用量53

3.4 操作条件对电池性能的影响53

3.4.1 温度对电池性能的影响53

3.4.2 压力和气体浓度对电池性能的影响55

3.4.3 流量对电池性能的影响56

3.5 质子交换膜燃料电池气体加湿装置58

3.5.1 外部加湿装置58

3.5.2 内部加湿装置61

3.5.3 自加湿法63

参考文献64

第4章 质子交换膜燃料电池水管理实验65

4.1 净水迁移量的测量65

4.1.1 实际运行实验65

4.1.2 模拟运行实验66

4.2 电池结构对水管理的影响68

4.2.1 气体扩散层68

4.2.2 膜电极结构68

4.2.3 膜加湿器69

4.3 可视化水管理实验71

4.4 考虑重力时温度对质子交换膜燃料电池性能的影响73

4.4.1 温度对阳极在上电池性能的影响74

4.4.2 温度对阴极在上电池性能的影响76

4.4.3 阳极在上与阴极在上电池性能的对比78

4.5 考虑重力时湿度对质子交换膜燃料电池性能的影响79

4.5.1 单极加湿79

4.5.2 双极加湿83

4.5.3 峰值功率对比84

参考文献85

第5章 质子交换膜燃料电池水管理数学模型88

5.1 现有模型88

5.1.1 一维模型88

5.1.2 二维模型92

5.1.3 三维模型94

5.1.4 瞬态模型和电池堆模型97

5.1.5 质子交换膜燃料电池的两相流模型97

5.2 质子交换膜燃料电池单体的结构和传热传质过程102

5.3 质子交换膜燃料电池的数学模型104

5.3.1 质子交换膜燃料电池的模拟区域划分105

5.3.2 守恒方程106

5.3.3 催化剂层中电化学反应的控制方程111

5.3.4 质子交换膜中的数学模型113

5.3.5 质子交换膜燃料电池性能方程115

5.3.6 边界条件115

参考文献119

第6章 质子交换膜燃料电池水管理的数值模拟结果124

6.1 模型的数值计算124

6.1.1 计算区域的离散化125

6.1.2 控制方程的离散化126

6.1.3 交错网格及SIMPLE算法的引出130

6.1.4 交错网格上的插值131

6.1.5 关于交错网格的一些说明131

6.1.6 离散方程的求解方法133

6.2 数值模拟的结果与讨论133

6.2.1 模型有效性的验证134

6.2.2 气体通道和扩散层中的流场135

6.2.3 质子交换膜燃料电池内氧气和水传递与分布136

6.2.4 阴阳极不同摆放位置时水的分布模拟结果讨论139

6.2.5 阴阳极不同摆放位置时氧气的分布模拟结果讨论141

参考文献143

附录 符号说明145