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第1章 绪论1

1.1 燃料电池概述1

1.2 PEM燃料电池3

1.2.1 PEM燃料电池的发展历史3

1.2.2 PEM燃料电池的原理4

1.2.3 PEM燃料电池的组成5

1.2.4 PEM燃料电池电堆6

1.2.5 PEM燃料电池系统7

1.2.6 PEM燃料电池的特点9

第2章 PEM燃料电池的计算机模拟10

2.1 PEM燃料电池的模型研究10

2.1.1 PEM燃料电池的集总与分布参数模型10

2.1.2 PEM燃料电池动态模型13

2.1.3 PEM燃料电池神经网络模型14

2.2 PEM燃料电池的水、热、气模拟研究15

2.2.1 PEM燃料电池的水管理15

2.2.2 PEM燃料电池的热管理17

2.2.3 PEM燃料电池的气管理19

2.3 PEM燃料电池的模拟平台19

2.3.1 CFD技术19

2.3.2 MATLAB/Simulink20

第3章 PEM燃料电池的数学模型23

3.1 燃料电池的基本方程23

3.1.1 质量守恒方程23

3.1.2 动量守恒方程24

3.1.3 能量守恒方程24

3.1.4 组分守恒方程25

3.2 多孔介质中的扩散模型25

3.3 水的相变模型26

3.4 质子交换膜中水的传递模型26

3.4.1 电迁移27

3.4.2 压力迁移27

3.4.3 浓差扩散28

3.5 催化层中的电化学反应模型28

3.5.1 Butler-Volmer方程29

3.5.2 电流守恒方程29

3.5.3 开路电压控制方程29

3.5.4 活化极化的控制方程30

3.5.5 反应物消耗和水生成30

3.6 PEM燃料电池物性参数模型30

3.6.1 密度31

3.6.2 黏度32

3.6.3 比热容32

3.6.4 热导率32

3.6.5 扩散系数32

3.7 小结33

第4章 操作参数对电池性能的影响34

4.1 计算模型分析34

4.1.1 几何模型、网格划分34

4.1.2 物性参数35

4.2 结果及讨论36

4.2.1 操作压力对电池性能的影响36

4.2.2 空气流速对电池性能的影响36

4.2.3 温度对电池性能的影响37

4.2.4 气体增湿度对电池性能的影响38

4.3 小结40

第5章 PEM燃料电池的水传输模拟41

5.1 流道中的水传输模拟41

5.1.1 直道中的水传输模拟41

5.1.2 弯道中的水传输模拟49

5.1.3 小结53

5.2 质子交换膜中的水分布54

5.2.1 几何模型及边界条件54

5.2.2 计算结果及讨论57

5.2.3 小结67

第6章 PEM燃料电池的热模拟68

6.1 燃料电池运行条件对温度分布的影响68

6.1.1 几何模型及参数68

6.1.2 工作电流密度对温度分布的影响70

6.1.3 气体加湿对温度分布的影响71

6.1.4 气体压力对温度分布的影响75

6.1.5 气体过量系数的影响75

6.1.6 扩散层热导率对温度分布的影响77

6.1.7 小结78

6.2 冷却水状态对温度分布的影响79

6.2.1 冷却流道位置对膜中温度分布的影响79

6.2.2 冷却水流速对冷却效果的影响87

6.2.3 冷却流道截面尺寸对冷却效果的影响90

6.2.4 小结91

第7章 PEM燃料电池气传输模拟92

7.1 流道深度对电池性能的影响92

7.1.1 计算模型92

7.1.2 结果及分析93

7.1.3 小结97

7.2 流道宽度和岸的宽度比对电池性能的影响97

7.2.1 计算模型97

7.2.2 结果及分析98

7.2.3 小结107

7.3 流道截面形状对电池性能的影响107

7.3.1 计算模型108

7.3.2 结果和分析109

7.3.3 小结112

第8章 基于分布参数模型的PEM燃料电池动态特性仿真113

8.1 不同气体湿度下电池动态特征的研究113

8.1.1 模型分析113

8.1.2 结果与分析116

8.1.3 小结123

8.2 气体传输时电池的动态特征研究124

8.2.1 模型分析124

8.2.2 结果与分析125

8.2.3 小结130

第9章 基于集总参数模型的PEM燃料电池的动态特性仿真131

9.1 PEM燃料电池的集总参数模型131

9.1.1 电化学模型131

9.1.2 热模型135

9.2 单电池的建模与仿真136

9.2.1 电流阶跃变化时电池的动态特性138

9.2.2 仿真结果与实验数据对比138

9.2.3 与基于分布参数模型的动态仿真结果对比143

9.3 电堆的建模与仿真148

9.3.1 电堆的Simulink模型148

9.3.2 电堆的动态特性148

9.4 小结153

第10章 基于BP神经网络的PEM燃料电池的动态特性仿真154

10.1 BP神经网络154

10.1.1 BP神经网络的拓扑结构154

10.1.2 BP神经网络学习算法155

10.1.3 BP神经网络学习算法的改进159

10.2 神经网络的系统辨识160

1O.2.1 神经网络的系统辨识原理及特点160

10.2.2 神经网络系统辨识模型的结构162

10.3 非线性动态系统的神经网络辨识162

10.4 基于BP神经网络的PEM燃料电池系统辨识164

10.4.1 学习样本的确定及归一化164

10.4.2 BP神经网络模型的确定165

10.4.3 BP神经网络的构建、训练和仿真167

10.4.4 仿真结果分析168

10.5 小结178

附录 主要符号表179

参考文献181