氫能與燃料電池技術及應用系列

本書圍繞“雙碳”目標背景下氫能與天然氣融合發展的前沿課題，系統闡述了天然氣摻氫技術的全產業鏈關鍵技術、應用場景及未來挑戰。全書從基礎理論、氫氣製備、摻混技術、管網輸送、終端應用、能源管理到安全經濟性分析，構建了完整的技術體系，並結合國內外示範項目，為清潔能源轉型提供科學路徑。全書系統梳理了摻氫天然氣在生產、儲運與終端利用中的關鍵技術要點，揭示了天然氣摻氫後對管道完整性和終端燃燒器適應性的深層邏輯，以及氫逃逸對大氣環境的潛在影響，並通過大量案例解析與數據分析，逐一說明不同行業在應用摻氫天然氣時所面臨的技術挑戰與經濟效益，最後結合碳稅等政策預期勾勒未來產業佈局和商業模式演變。本書適用於從事城鎮燃氣、天然氣以及氫氣生產、運輸、銷售領域相關工作的專業人士，包括城鎮燃氣經營企業、天然氣和氫氣貿易商、生產氫氣的化工企業和新能源企業、危化品運輸企業專業技術人員，以及從事天然氣、氫氣相關設備裝備的研發、製造、銷售的企業工程師和技術人員，節能環保領域研究者及管理者等。同時，本書也可作為高等院校城建、能源、環境、化工等專業師生研究摻氫天然氣技術和應用的參考用書。

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，燃料電池混合動力技術、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考。 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方式複製或抄襲。版權所有，翻印必究。

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性能、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，關鍵材料的物理特性參數，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、物質傳輸和性能計算。全書的重點是PEM燃料電池的基礎原理和性能計算方法。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、航空航天等領域的應用和技術現狀，並且指明了各個領域需要解決的問題。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考。

本書首先概述了基於鹼性電解和質子交換膜電解制氫和制氧的技術，簡要介紹了該技術的歷史背景和總體概念，包括電解槽的電化學性能、將單電解槽堆疊成大容量電堆的技術以及這些電堆的性能和特點；再詳細介紹了兩種相關技術的工藝流程、配套及輔助設備情況；最後，介紹了當前電解水制氫的應用和技術發展，對現有技術局限性、技術難點及未來前景也做了介紹和討論。此外，本書對高溫蒸汽電解制氫技術進行了深入的研究，詳細介紹了該技術所涉及的固態電化學基礎、電解槽的性能和耐久性、現有局限性、技術難點及具體的運行模式。本書可供立足於氫能源行業，尤其是從事燃料電池技術研究的工程師閱讀參考，也可以作為相關專業高校師生的參考讀物。

本書以國家重點研發計劃“新能源汽車”重點專項“典型區域多種燃料電池電動汽車示範運行研究”項目科研成果為基礎，研究了示範城市中燃料電池汽車示範運行實踐開展情況，圍繞燃料電池電動汽車示範運行，從示範運行總體情況、運維保障體系、監控技術、消防安全和應急救援、整車技術升級優化、快速安全加氫技術、加氫站供氫體系規劃和建設、氫能經濟性研究等方面進行梳理，總結出代表性的研究成果。本書數據翔實，可供政府、企業、協會、高校及科研院所等關注和從事氫能與燃料電池汽車產業的人員參考。

本書介紹了我國新能源汽車產業發展歷程，並總結了新能源汽車產業發展成績和經驗。在此基礎上，本書介紹了國際燃料電池汽車產業發展情況，重點對日本、美國、歐洲、韓國燃料電池汽車政策、產業等情況進行了分析。其次，考慮到政策仍是現階段支撐產業發展最為關鍵的因素，本書詳細介紹了我國燃料電池汽車產業發展的政策環境，並對我國燃料電池汽車示範政策、氫能產業發展規劃進行了分析和解讀。再次，本書介紹了我國燃料電池汽車產業發展態勢，對產業現狀、發展問題和未來趨勢進行了詳細分析，並以京津冀、上海、廣東、鄭州、河北城市群為例，對我國地方產業發展實踐、經驗措施進行了總結分析。隨後，本書重點介紹了我國氫能及燃料電池汽車的經濟性、技術情況和應用場景，並展望了未來的降本路徑、技術趨勢和潛在應用場景。最後，本書對我國燃料電池汽車產業高質量發展提出相關建議。

本書介紹了不同類型燃料電池的工作特性，闡述了質子交換膜燃料電池(PEMFC)的性能優勢與應用前景；分析了PEMFC的物理結構與“氣-水-熱-電”運行機理；建立了以電化學、流體力學、熱力學為基礎的PEMFC電堆多物理域模型，對模型進行了參數敏感性分析；構建了包含空氣供應、氫氣供應、水熱管理、電能變換等輔助外圍設備的PEMFC系統模型，設計了系統多輸入/多輸出控制方法，對PEMFC的不同系統進行管理控制並進行了相關試驗驗證；開展了PEMFC老化預測、故障診斷以及容錯控制等健康管理方面的研究，明晰了老化與故障機理並提取相關影響因子，提出了高精度的老化預測方法，完成了故障類型的在線識別及診斷，針對不同的健康狀態進行容錯控制，基於系統台架對健康性能進行測試評估；以車/航空用PEMFC混合動力系統的能量管理為背景，以系統運行安全、壽命提升、效率優化、能耗最小等為研究對象，制定並執行了不同類型的能量管理策略，並對比了不同策略下的系統輸出特性和運行差異。

本書系統介紹了燃料電池的結構、工作原理及衰減機理，並按照燃料電池開發的技術流程，分章詳細講解了電化學與物理表徵方法、性能與壽命測試技術以及故障診斷等關鍵環節的操作方法與原理，分析了需要解決的關鍵問題，最後還展望了燃料電池技術的實際應用方向。為滿足不同層次讀者的需求，本書不僅涵蓋了先進的表徵方法和工具，還提供了詳細的案例研究和試驗數據。本書適合於質子交換膜燃料電池生產、測試、應用相關的科研人員和工程師閱讀參考，也可供相關專業的高校師生研究學習。