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第1部分 氢能和燃料电池模型1

第1章 氢能和电能：相似之处、相互作用和转化1

1.1 简介1

1.1.1 氢气和燃料电池的标准观点1

1.1.2 氢气和电力的综合观点2

1.2 氢和电对比4

1.2.1 产生资源4

1.2.2 混合发电5

1.2.3 分布和基础设施5

1.3 互补和聚合6

1.3.1 互补属性和应用6

1.3.1.1 车辆6

1.3.1.2 发电设备8

1.3.2 原料竞争9

1.3.3 联合9

1.3.3.1 大型热化学协作生产9

1.3.3.2 小至中等规模的能源站11

1.3.4 互变12

1.3.4.1 间歇性可再生能源电力储存12

1.3.4.2 非高峰期电解12

1.3.4.3 中央氢气和电力生产（具有CCS的发电厂）13

1.3.4.4 中央氢气生产和分布式电力生产（FCV、MobileE和V2G）13

1.3.4.5 分布式氢气和电力生产（E电站和构建系统）13

1.4 小结13

参考文献14

第2章 氢能基础设施：生产、储存和运输17

2.1 简介17

2.2 生产17

2.2.1 蒸气甲烷重整17

2.2.2 煤的气化20

2.2.3 电解21

2.2.4 高温电解及核能热转化23

2.2.5 副产物和工业氢24

2.3 储存和运输25

2.3.1 大规模储存25

2.3.1.1 冷藏法25

2.3.1.2 地下储存25

2.3.2 小规模储存26

2.3.2.1 氢气压缩26

2.3.2.2 低温以及超低温压缩氢气27

2.3.2.3 金属氢化物27

2.3.2.4 表面吸附28

2.3.3 运输28

2.4 小结28

参考文献29

第3章 PEM燃料电池基础和计算模型32

3.1 简介32

3.2 PEM燃料电池的基本知识34

3.2.1 燃料电池建模方程和相关常数34

3.2.1.1 可逆电池电压34

3.2.1.2 活化超电动势35

3.2.1.3 欧姆过电位36

3.2.1.4 质量传输超电动势36

3.2.1.5 实际电池电压38

3.2.2 热模型38

3.2.3 湿度模型39

3.2.3.1 方程建模39

3.3 模型实施42

3.4 结果与讨论44

3.4.1 参数化变量44

3.4.2 干燥的PEM燃料电池模型的验证44

3.4.3 湿润PEM燃料电池模型的验证50

3.5 小结54

参考文献54

第4章 动态建模与PEM燃料电池系统的控制58

4.1 简介58

4.1.1 燃料电池的基本原理58

4.1.2 燃料电池的种类59

4.1.3 典型的燃料电池系统组件61

4.2 燃料电池系统模型63

4.2.1 极化曲线建模64

4.2.2 反应物供应系统模型67

4.2.2.1 空气供应系统模型68

4.2.2.2 氢气流模型73

4.2.3 热管理系统模型75

4.2.4 仿真研究77

4.2.4.1 燃料电池仿真77

4.2.4.2 热管理仿真80

4.3 燃料电池控制系统82

4.3.1 流量控制83

4.3.1.1 阴极流量和压力控制83

4.3.1.2 阳极压力控制85

4.3.2 温度控制87

4.4 小结及展望90

参考文献91

第2部分 市场转型与应用93

第5章 从早期人工燃气历史中得到的关于氢能市场转型的经验教训93

5.1 简介：人工燃气的历史发展经验93

5.2 并排比较94

5.2.1 气体燃料成分和相对的家庭成本97

5.2.2 人工煤气生产过程98

5.2.2.1 碳化99

5.2.2.2 水煤气和增碳水煤气100

5.2.2.3 石油气102

5.2.3 城市基础设施的扩展102

5.3 基础设施发展阶段104

5.3.1 商业化示范（1785～1816年）104

5.3.2 早期城市使用者（1816～1850年）107

5.3.3 煤气的主导地位（1850～1882年）108

5.3.4 扩张、竞争和适应（1882～1925年）110

5.3.4.1 Welsbach灯罩111

5.3.4.2 取暖和烹饪111

5.3.4.3 与钢铁业的联合111

5.3.4.4 与电力融合112

5.3.5 天然气转换（1925～1954年）112

5.4 小结：人工煤气的类比和启发115

5.4.1 签订长期合同吸引资金115

5.4.2 公开市场刺激私人需求116

5.4.3 竞争孕育创新和纪律116

5.4.4 市场随着技术发展而演变117

5.4.5 多元化经营促进适应118

参考文献119

第6章 燃料电池技术示范和数据分析121

6.1 简介121

6.2 政府资助的燃料电池应用程序的演示和部署121

6.2.1 轻型汽车123

6.2.2 重型运输124

6.2.3 物料装卸设备125

6.2.4 氢燃料分配125

6.2.5 备用电源125

6.3 应用126

6.4 结果127

6.4.1 运行时间（结合FCB、FCEV和FCMHE）128

6.4.2 耐久性（FCEV）128

6.4.3 氢气填充率（结合FCB、FCEV和FCMHE）130

6.4.4 燃油经济性（FCEV和FCB）130

6.4.5 范围（FCEV和FCMHE）132

6.4.6 氢气的生产和／或消耗（结合FCEV和FCMHE）133

6.4.7 效率（FCEV）135

6.4.8 可靠性（FCB和FCBU）135

6.5 小结137

6.6 致谢138

参考文献138

第7章 基于燃料电池CHHP联产来生产车辆用氢气：影响能源使用、温室气体排放和成本的因素139

7.1 简介139

7.2 使用FCPower模型来对燃料电池CHHP系统建模141

7.2.1 模型化熔融碳酸盐燃料电池CHHP系统的配置和性能142

7.2.2 主要CHHP和基线系统建模假设144

7.2.3 地理和建筑型注意事项146

7.3 影响CHHP系统性能功能特点151

7.4 影响CHHP的能源使用和排放的条件152

7.4.1 地理位置：气候与电网电力混合153

7.4.2 建筑类型158

7.4.3 燃料电池系统大小相对于建筑电力需求160

7.5 影响CHHP氢气成本的因素162

7.5.1 CHHP系统性能162

7.5.2 区域电力及天然气价格164

7.6 影响CHHP性能和成本的趋势总结165

7.7 小结168

参考文献169

第8章 混合动力和插电式混合电动汽车171

8.1 简介171

8.2 性能特点172

8.2.1 燃油经济性172

8.2.2 范围173

8.2.3 加速173

8.2.4 爬坡能力173

8.3 HEV架构173

8.3.1 电能-分流架构173

8.3.1.1 发动机串联式混合动力173

8.3.1.2 燃料电池混合动力系列174

8.3.1.3 电能-分流性能175

8.3.2 机械能量分流架构175

8.3.2.1 并联式混合动力175

8.3.2.2 串并联混合动力176

8.3.2.3 机械能量分流性能176

8.4 燃料电池HEV和PHEV176

8.4.1 燃料电池HEV177

8.4.2 燃料电池PHEV178

8.5 能源管理180

8.5.1 基于启发式规则的方法180

8.5.2 滞后（ON-OFF）控制181

8.5.3 功率跟随控制181

8.5.3.1 燃料电池空闲181

8.5.3.2 燃料电池直连181

8.5.3.3 燃料电池减量182

8.5.3.4 燃料电池增量183

8.6 实时优化方法183

8.6.1 离线或静态优化183

8.6.2 ECMS184

参考文献185

第9章 氢能储存提高风能进入电网的渗透程度187

9.1 简介187

9.2 风电部署187

9.3 高风能进入到电力系统的影响188

9.3.1 平衡要求189

9.3.2 电力充足189

9.3.3 电网189

9.4 能量储存系统190

9.4.1 简介190

9.4.2 能源储存技术191

9.4.2.1 氢191

9.4.3 能源储存系统的比较193

9.4.3.1 能量管理策略在能源储存中的应用198

9.4.3.2 氢气的分散与集中生产200

9.5 小结201

参考文献201

第10章 氢能设计案例研究204

10.1 简介204

10.2 商用氢燃料站204

10.2.1 氢气的生产评估205

10.2.2 氢气的压缩和运输205

10.2.3 加气站的定位和站点确定205

10.2.4 氢燃料站的组成206

10.3 住宅区氢气燃料209

10.3.1 车辆参数210

10.3.2 氢燃料系统组件210

10.3.3 氢燃料的操作211

10.4 氢气在机场的应用213

10.4.1 氢燃料站215

10.4.2 辅助发电215

10.4.3 节能发电215

10.4.4 氢燃料电池汽车／远程设备216

10.4.5 公共教育中心217

10.5 氢气在社会上的其他应用217

10.5.1 备用电源218

10.5.2 原料处理218

10.5.3 可移动电源219

10.5.4 公共及私人交通219

10.5.5 公共教育中心219

10.6 小结220

10.7 致谢220

参考文献220

第3部分 氢气安全221

第11章 氢气的安全问题221

11.1 简介221

11.2 氢气独特的性质和危害221

11.2.1 易燃性222

11.2.2 高压和超压性222

11.2.3 可能会使人窒息223

11.2.4 几乎看不见的火焰223

11.3 加氢站223

11.4 研究和发展氢燃料汽车的车库227

11.5 气态氢的储存228

11.6 固定式燃料电池的安装229

11.7 小结231

参考文献231

第12章 氢燃料电池汽车规定、规范和标准232

12.1 简介232

12.2 美国氢燃料电池汽车的配置232

12.3 RCS简述233

12.4 公路或者客运氢燃料电池车236

12.5 燃料电池车辆的标准237

12.6 氢燃料电池工业卡车的标准239

12.7 未来RCS的发展问题240

12.8 小结240

参考文献241