車用燃料電池電堆及系統(tǒng)集成

第1章緒論11.1氫能源與交通11.1.1發(fā)展氫能源的必要性11.1.2氫能源特點21.1.3氫燃料電池與交通31.2質(zhì)子交換膜燃料電池61.3車用燃料電池系統(tǒng)的特點及要求91.3.1燃料電池系統(tǒng)組成和功能91.3.2FCEV典型系統(tǒng)集成方案91.3.3技術(shù)要求101.4車用燃料電池發(fā)展前景及存在的挑戰(zhàn)11本章參考文獻(xiàn)15第2章質(zhì)子交換膜燃料電池電堆192.1電堆的基本結(jié)構(gòu)及部件192.1.1單電池的基本結(jié)構(gòu)192.1.2電堆的基本結(jié)構(gòu)192.1.3電堆的主要部件202.1.4電堆冷卻技術(shù)282.2電堆工作原理302.2.1基本工作原理302.2.2開路電壓312.2.3極化現(xiàn)象322.2.4燃料電池能量轉(zhuǎn)換效率352.2.5電堆常見故障352.3膜電極制備技術(shù)及相關(guān)研究392.4雙極板的研究及開發(fā)512.4.1雙極板的結(jié)構(gòu)和功能512.4.2雙極板的材料與制造532.5密封技術(shù)研究612.5.1密封材料的研究現(xiàn)狀612.5.2密封結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀642.5.3密封結(jié)構(gòu)的失效652.6電堆集成技術(shù)682.6.1電堆集成工藝流程692.6.2影響電堆集成性能的重要因素722.7電堆技術(shù)進(jìn)展及產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀76本章參考文獻(xiàn)79第3章質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)943.1系統(tǒng)的組成及結(jié)構(gòu)943.2空氣供給子系統(tǒng)953.2.1空氣供給子系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)953.2.2空氣壓縮機(jī)匹配1053.2.3中冷器計算及選型1103.2.4背壓閥匹配1113.2.5空氣供給子系統(tǒng)建模和仿真研究進(jìn)展1123.2.6空氣供給子系統(tǒng)模型建模參數(shù)1143.2.7空氣供給子系統(tǒng)仿真分析與控制1163.3氫氣供給子系統(tǒng)1203.3.1氫氣供給子系統(tǒng)類型1203.3.2氫氣供給子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1233.3.3車載氫氣供給子系統(tǒng)部件基本參數(shù)1283.3.4電堆匹配計算與選型1283.3.5氫氣循環(huán)泵匹配計算與選型1293.3.6氫氣供給管道模型參數(shù)1313.3.7氫氣循環(huán)泵模型參數(shù)1323.3.8燃料電池氫氣供給子系統(tǒng) Simulink 模型搭建及驗證1343.4冷卻子系統(tǒng)1363.4.1燃料電池系統(tǒng)熱平衡1363.4.2空氣冷卻1393.4.3被動冷卻1423.4.4液體冷卻1463.4.5冷卻子系統(tǒng)的意義以及未來展望1493.5控制及管理子系統(tǒng)1503.5.1冷卻子系統(tǒng)控制1513.5.2水管理子系統(tǒng)控制1523.5.3空氣供給子系統(tǒng)控制1543.5.4管理氫氣供給子系統(tǒng)的運行1563.6燃料電池系統(tǒng)的運行及維護(hù)1583.6.1空氣供給子系統(tǒng)運行及維護(hù)1583.6.2氫氣供給子系統(tǒng)運行及維護(hù)1603.6.3冷卻子系統(tǒng)運行及維護(hù)1623.7燃料電池系統(tǒng)的常見故障及故障處理方法163本章參考文獻(xiàn)166第4章燃料電池發(fā)動機(jī)的控制原理及智能管理1774.1燃料電池發(fā)動機(jī)系統(tǒng)及其控制1774.2燃料電池發(fā)動機(jī)空氣供給子系統(tǒng)的控制1784.2.1空氣供給子系統(tǒng)的控制要求1784.2.2空氣供給子系統(tǒng)的控制實現(xiàn)方法1794.2.3空氣供給子系統(tǒng)控制的國內(nèi)外相關(guān)研究1834.3燃料電池發(fā)動機(jī)電堆系統(tǒng)的控制1894.4燃料電池發(fā)動機(jī)氫氣供給子系統(tǒng)的控制1924.4.1氫氣供給子系統(tǒng)的控制要求及控制實現(xiàn)方式1924.4.2氫氣供給子系統(tǒng)控制的研究進(jìn)展1954.5燃料電池發(fā)動機(jī)熱管理子系統(tǒng)的控制1964.5.1熱管理子系統(tǒng)的控制要求及控制實現(xiàn)方式1964.5.2熱管理子系統(tǒng)控制的研究進(jìn)展1984.6燃料電池發(fā)動機(jī)控制器硬件1994.6.1控制器整體系統(tǒng)1994.6.2控制器硬件設(shè)計2004.7燃料電池發(fā)動機(jī)控制器軟件2074.7.1控制器軟件總體框架2074.7.2系統(tǒng)控制方式2104.7.3系統(tǒng)診斷與智能管控2164.8燃料電池控制器輔助系統(tǒng)與工具2184.8.1人機(jī)界面與數(shù)據(jù)管理2184.8.2系統(tǒng)調(diào)試與標(biāo)定221本章參考文獻(xiàn)222第5章車用燃料電池電堆及系統(tǒng)耐久性2285.1影響車用燃料電池系統(tǒng)耐久性的因素分析2295.1.1電堆結(jié)構(gòu)組成對燃料電池系統(tǒng)耐久性的影響2295.1.2系統(tǒng)組件對車用燃料電池系統(tǒng)耐久性的影響2385.1.3動態(tài)運行工況對車用燃料電池系統(tǒng)耐久性的影響2405.2提升車用燃料電池電堆及系統(tǒng)耐久性的策略及相關(guān)研究2475.2.1電堆耐久性的提升策略2475.2.2車用燃料電池電堆系統(tǒng)組件的改進(jìn)策略2595.2.3動態(tài)運行工況下的改進(jìn)策略2625.3挑戰(zhàn)與展望266本章參考文獻(xiàn)268第6章車用質(zhì)子交換膜燃料電池的冷啟動2726.1冷啟動困難和失敗的原因及冷啟動的原理2736.1.1冷啟動困難和失敗原因分析2736.1.2冷啟動機(jī)制2746.1.3冷啟動過程中電池內(nèi)部的傳輸過程2766.2車用燃料電池冷啟動策略2836.2.1適用于燃料電池冷啟動的關(guān)機(jī)策略2836.2.2啟動加熱策略2886.2.3組件改進(jìn)2936.2.4小結(jié)2966.3挑戰(zhàn)與展望297本章參考文獻(xiàn)298第7章挑戰(zhàn)及展望3097.1車用燃料電池系統(tǒng)的挑戰(zhàn)3107.1.1車用燃料電池系統(tǒng)的耐久性3107.1.2車用燃料電池系統(tǒng)的成本3127.1.3鉑使用量及鉑資源挑戰(zhàn)3137.1.4車用燃料電池系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率3137.1.5車用燃料電池系統(tǒng)的冷啟動3147.2下一代車用燃料電池技術(shù)展望3157.2.1下一代燃料電池催化劑研究3167.2.2下一代氣體擴(kuò)散層3187.2.3下一代質(zhì)子交換膜3187.2.4下一代雙極板3187.2.5下一代空氣壓縮機(jī)及輔助件319本章參考文獻(xiàn)321第1章緒論11.1氫能源與交通11.1.1發(fā)展氫能源的必要性11.1.2氫能源特點21.1.3氫燃料電池與交通31.2質(zhì)子交換膜燃料電池61.3車用燃料電池系統(tǒng)的特點及要求91.3.1燃料電池系統(tǒng)組成和功能91.3.2FCEV典型系統(tǒng)集成方案91.3.3技術(shù)要求101.4車用燃料電池發(fā)展前景及存在的挑戰(zhàn)11本章參考文獻(xiàn)15第2章質(zhì)子交換膜燃料電池電堆192.1電堆的基本結(jié)構(gòu)及部件192.1.1單電池的基本結(jié)構(gòu)192.1.2電堆的基本結(jié)構(gòu)192.1.3電堆的主要部件202.1.4電堆冷卻技術(shù)282.2電堆工作原理302.2.1基本工作原理302.2.2開路電壓312.2.3極化現(xiàn)象322.2.4燃料電池能量轉(zhuǎn)換效率352.2.5電堆常見故障352.3膜電極制備技術(shù)及相關(guān)研究392.4雙極板的研究及開發(fā)512.4.1雙極板的結(jié)構(gòu)和功能512.4.2雙極板的材料與制造532.5密封技術(shù)研究612.5.1密封材料的研究現(xiàn)狀612.5.2密封結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀642.5.3密封結(jié)構(gòu)的失效652.6電堆集成技術(shù)682.6.1電堆集成工藝流程692.6.2影響電堆集成性能的重要因素722.7電堆技術(shù)進(jìn)展及產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀76本章參考文獻(xiàn)79第3章質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)943.1系統(tǒng)的組成及結(jié)構(gòu)943.2空氣供給子系統(tǒng)953.2.1空氣供給子系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)953.2.2空氣壓縮機(jī)匹配1053.2.3中冷器計算及選型1103.2.4背壓閥匹配1113.2.5空氣供給子系統(tǒng)建模和仿真研究進(jìn)展1123.2.6空氣供給子系統(tǒng)模型建模參數(shù)1143.2.7空氣供給子系統(tǒng)仿真分析與控制1163.3氫氣供給子系統(tǒng)1203.3.1氫氣供給子系統(tǒng)類型1203.3.2氫氣供給子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1233.3.3車載氫氣供給子系統(tǒng)部件基本參數(shù)1283.3.4電堆匹配計算與選型1283.3.5氫氣循環(huán)泵匹配計算與選型1293.3.6氫氣供給管道模型參數(shù)1313.3.7氫氣循環(huán)泵模型參數(shù)1323.3.8燃料電池氫氣供給子系統(tǒng) Simulink 模型搭建及驗證1343.4冷卻子系統(tǒng)1363.4.1燃料電池系統(tǒng)熱平衡1363.4.2空氣冷卻1393.4.3被動冷卻1423.4.4液體冷卻1463.4.5冷卻子系統(tǒng)的意義以及未來展望1493.5控制及管理子系統(tǒng)1503.5.1冷卻子系統(tǒng)控制1513.5.2水管理子系統(tǒng)控制1523.5.3空氣供給子系統(tǒng)控制1543.5.4管理氫氣供給子系統(tǒng)的運行1563.6燃料電池系統(tǒng)的運行及維護(hù)1583.6.1空氣供給子系統(tǒng)運行及維護(hù)1583.6.2氫氣供給子系統(tǒng)運行及維護(hù)1603.6.3冷卻子系統(tǒng)運行及維護(hù)1623.7燃料電池系統(tǒng)的常見故障及故障處理方法163本章參考文獻(xiàn)166第4章燃料電池發(fā)動機(jī)的控制原理及智能管理1774.1燃料電池發(fā)動機(jī)系統(tǒng)及其控制1774.2燃料電池發(fā)動機(jī)空氣供給子系統(tǒng)的控制1784.2.1空氣供給子系統(tǒng)的控制要求1784.2.2空氣供給子系統(tǒng)的控制實現(xiàn)方法1794.2.3空氣供給子系統(tǒng)控制的國內(nèi)外相關(guān)研究1834.3燃料電池發(fā)動機(jī)電堆系統(tǒng)的控制1894.4燃料電池發(fā)動機(jī)氫氣供給子系統(tǒng)的控制1924.4.1氫氣供給子系統(tǒng)的控制要求及控制實現(xiàn)方式1924.4.2氫氣供給子系統(tǒng)控制的研究進(jìn)展1954.5燃料電池發(fā)動機(jī)熱管理子系統(tǒng)的控制1964.5.1熱管理子系統(tǒng)的控制要求及控制實現(xiàn)方式1964.5.2熱管理子系統(tǒng)控制的研究進(jìn)展1984.6燃料電池發(fā)動機(jī)控制器硬件1994.6.1控制器整體系統(tǒng)1994.6.2控制器硬件設(shè)計2004.7燃料電池發(fā)動機(jī)控制器軟件2074.7.1控制器軟件總體框架2074.7.2系統(tǒng)控制方式2104.7.3系統(tǒng)診斷與智能管控2164.8燃料電池控制器輔助系統(tǒng)與工具2184.8.1人機(jī)界面與數(shù)據(jù)管理2184.8.2系統(tǒng)調(diào)試與標(biāo)定221本章參考文獻(xiàn)222第5章車用燃料電池電堆及系統(tǒng)耐久性2285.1影響車用燃料電池系統(tǒng)耐久性的因素分析2295.1.1電堆結(jié)構(gòu)組成對燃料電池系統(tǒng)耐久性的影響2295.1.2系統(tǒng)組件對車用燃料電池系統(tǒng)耐久性的影響2385.1.3動態(tài)運行工況對車用燃料電池系統(tǒng)耐久性的影響2405.2提升車用燃料電池電堆及系統(tǒng)耐久性的策略及相關(guān)研究2475.2.1電堆耐久性的提升策略2475.2.2車用燃料電池電堆系統(tǒng)組件的改進(jìn)策略2595.2.3動態(tài)運行工況下的改進(jìn)策略2625.3挑戰(zhàn)與展望266本章參考文獻(xiàn)268第6章車用質(zhì)子交換膜燃料電池的冷啟動2726.1冷啟動困難和失敗的原因及冷啟動的原理2736.1.1冷啟動困難和失敗原因分析2736.1.2冷啟動機(jī)制2746.1.3冷啟動過程中電池內(nèi)部的傳輸過程2766.2車用燃料電池冷啟動策略2836.2.1適用于燃料電池冷啟動的關(guān)機(jī)策略2836.2.2啟動加熱策略2886.2.3組件改進(jìn)2936.2.4小結(jié)2966.3挑戰(zhàn)與展望297本章參考文獻(xiàn)298第7章挑戰(zhàn)及展望3097.1車用燃料電池系統(tǒng)的挑戰(zhàn)3107.1.1車用燃料電池系統(tǒng)的耐久性3107.1.2車用燃料電池系統(tǒng)的成本3127.1.3鉑使用量及鉑資源挑戰(zhàn)3137.1.4車用燃料電池系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率3137.1.5車用燃料電池系統(tǒng)的冷啟動3147.2下一代車用燃料電池技術(shù)展望3157.2.1下一代燃料電池催化劑研究3167.2.2下一代氣體擴(kuò)散層3187.2.3下一代質(zhì)子交換膜3187.2.4下一代雙極板3187.2.5下一代空氣壓縮機(jī)及輔助件319本章參考文獻(xiàn)321