《Proton Exchange Membrane Fuel Cells Modeling》

请叫我雷锋

《Proton Exchange Membrane Fuel Cells Modeling》
质子交换膜燃料电池模型
编辑：
Fei Gao
Benjamin Blunier
Abdellatif Miraoui
出版社：ISTE
出版时间：2012年

《Proton Exchange Membrane Fuel Cells Modeling》

《Proton Exchange Membrane Fuel Cells Modeling》

《Proton Exchange Membrane Fuel Cells Modeling》

《Proton Exchange Membrane Fuel Cells Modeling》

目录
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ix
Nomenclature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xiii
Part 1: State of the Art: Of Fuel Cells Modeling . . . . . . . . . . 1
Chapter 1. General Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1. What is a fuel cell? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2. Types of fuel cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2.1. Proton exchange membrane fuel cell (PEMFC, PEFC) . . . . . . 7
1.2.2. Alkaline fuel cells (AFC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.2.3. Phosphoric acid fuel cells (PAFC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2.4. Molten carbonate fuel cells (MCFC) . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2.5. Solid oxide fuel cells (SOFC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.2.6. Direct methanol fuel cells (DMFC) . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
Chapter 2. PEMFC Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.1. Bipolar plates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2. Membrane electrode assembly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2.1. Electrodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2.2. Membrane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
Chapter 3. Why Model a Fuel Cell? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.1. Advantages of modeling and simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.2. Complex system modeling methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.2.1. Behavior description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.2.2. Behavior explanation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
vi PEM Fuel Cell Modeling
3.3. Modeling goals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.3.1. Scientific understanding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.3.2. Technological development . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.3.3. System control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
Chapter 4. How Can a Fuel Cell be Modeled? . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.1. Space dimension: 0D, 1D, 2D, 3D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.2. Temporal behavior: static or dynamic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4.3. Type: analytical, semi-empirical, empirical . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.4. Modeled areas: stack, single cell, individual layer . . . . . . . . . . . . 34
4.5. Modeled phenomena . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.5.1. Domains: electrical (electrochemical), fluidic, thermal . . . . . . 35
4.5.2. Individual layer phenomena . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
Chapter 5. Literature Models Synthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
5.1. 50 models published in the literature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
5.2. Model classification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
Part 2: Modeling of the Proton Exchange Membrane
Fuel Cell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
Chapter 6. Model Structural and Functional Approaches . . . . . . . . . . 49
Chapter 7. Stack-Level Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
7.1. Electrical domain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
7.1.1. Cell voltage multiplication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
7.1.2. Individual cell voltage sum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
7.2. Fluidic domain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
7.2.1. Static equilibrium of the stack’s fluid flows . . . . . . . . . . . . . 54
7.2.2. Dynamic equilibrium of the stack’s fluid flow . . . . . . . . . . . 55
7.2.3. Expressions for gas flow rates at the channel inlets and outlets . . 59
7.3. Thermal domain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
7.3.1. Dynamic energy balance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
Chapter 8. Cell-Level Modeling (Membrane-Electrode
Assembly, MEA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
8.1. Electrical domain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
8.1.1. Thermodynamic voltage of a cell [BLU 07] . . . . . . . . . . . . 69
8.1.2. Voltage drop due to activation loss . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
8.1.3. Voltage drop due to internal ohmic loss (membrane + plate) . . . 79
8.1.4. Voltage drop due to concentration losses (mass transport
limitation) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
8.1.5. Dynamic effect of double layer capacity . . . . . . . . . . . . . . 83
Table of Contents vii
8.2. Fluidic domain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
8.2.1. Static or dynamic mass balance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
8.2.2. Pressure loss in the global feeding channels (manifolds) . . . . . 86
8.3. Thermal domain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
8.3.1. Dynamic energy summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
Chapter 9. Individual Layer Level Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
9.1. Electrical domain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
9.1.1. Gas channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
9.1.2. Gas diffusion layer (GDL) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
9.1.3. Catalyst layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
9.1.4. Membrane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
9.2. Fluidic domain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
9.2.1. Gas channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
9.2.2. Gas diffusion layer (GDL) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
9.2.3. Catalyst sites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
9.2.4. Membrane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
9.2.5. General vapor saturation pressure formula . . . . . . . . . . . . . 133
9.3. Thermal domain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
9.3.1. Gas channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
9.3.2. Gas diffusion layer (GDL) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
9.3.3. Catalyst sites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
9.3.4. Membrane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
Chapter 10. Finite Element and Finite Volume Approach . . . . . . . . . . 141
10.1. Conservation of mass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
10.2. Conservation of momentum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
10.3. Conservation of matter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
10.4. Conservation of charge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
10.5. Conservation of energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
Part 3: 1D Dynamic Model of a Nexa Fuel Cell Stack . . . . . . . . 147
Chapter 11. Detailed Nexa Proton Exchange Membrane Fuel Cell
Stack Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
11.1. Modeling hypotheses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
11.2. Modeling in the electrical domain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
11.2.1. Cooling channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
11.2.2. Solid support and cathode gas channels . . . . . . . . . . . . . . 151
11.2.3. Cathode diffusion layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
11.2.4. Cathode catalytic layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
11.2.5. Membrane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
viii PEM Fuel Cell Modeling
11.2.6. Anode catalytic layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
11.2.7. Anode diffusion layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
11.2.8. Solid support and anode gas channels . . . . . . . . . . . . . . . 158
11.3. Modeling in the fluidic domain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
11.3.1. Cooling channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
11.3.2. Cathode gas channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
11.3.3. Cathode diffusion layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
11.3.4. Cathode catalytic layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
11.3.5. Membrane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
11.3.6. Anode catalytic layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
11.3.7. Anode diffusion layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
11.3.8. Anode gas channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
11.4. Thermal domain modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
11.4.1. Cooling channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
11.4.2. Solid support of the cathode channels . . . . . . . . . . . . . . . 183
11.4.3. Cathode gas channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
11.4.4. Cathode diffusion layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
11.4.5. Cathode catalyst layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
11.4.6. Membrane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
11.4.7. Anode catalyst layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
11.4.8. Anode diffusion layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
11.4.9. Anode gas channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
11.4.10. Solid support of the anode channels . . . . . . . . . . . . . . . . 200
11.5. Set of adjustable parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
Chapter 12. Model Experimental Validation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
12.1. Multiphysical model validation with a 1.2 kW fuel cell stack . . . . . 205
12.1.1. Measuring equipment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
12.1.2. Experimental validations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235


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感激之情无以言表，献上我的膝盖

璀璨星空

谢谢分享。
来自: 微社区

高献坤

非常好的一本书,能下不?

御锋

谢谢

leetring

好资料，学习了，谢谢

magic-john

棒棒哒

mogudeng

楼主好人，一生平安

wx_lqWk5nLy

学习雷锋

Ryanhtx

学习雷锋