Device and Materials Modeling in PEM Fuel Cells pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:

作者:Paddison, Stephen J. (EDT)/ Promislow, Keith S. (EDT)

出品人:

页数:608

译者:

出版时间:2008-10

价格:$ 337.87

装帧:

isbn号码:9780387786902

丛书系列:

图书标签:

• PEM Fuel Cells
• Fuel Cell Modeling
• Electrochemical Modeling
• Materials Science
• Device Physics
• Energy Conversion
• Electrocatalysis
• Transport Phenomena
• Computational Modeling
• Renewable Energy

《燃料电池技术前沿：设计、优化与性能提升》 本书深入探讨了下一代能源技术——质子交换膜（PEM）燃料电池的核心领域，着重于其设计、优化和性能提升的创新方法。本书并非仅限于理论模型，而是将目光投向实际应用中的挑战与机遇，为研究人员、工程师以及相关领域的专业人士提供一套全面的指导。 第一部分：PEM燃料电池的系统集成与模块化设计 本部分聚焦于如何将PEM燃料电池的各个组件有效地整合，以构建高效、可靠的系统。我们将从单元（Cell）层面出发，探讨电流密度、电压损失、传质与传热等关键性能指标的相互影响。随后，将这些单元组装成堆（Stack）时，会面临串联电压、均压、密封以及热管理等新的挑战。本书将详细解析这些挑战，并提出创新的解决方案，例如采用先进的流场设计，优化气体扩散层（GDL）的微观结构，以及设计高效的冷却系统，以最大化能量输出并延长电池寿命。 模块化设计理念在本部分得到了充分的应用。我们将探讨如何设计标准化的燃料电池模块，使其易于组装、维护和扩展。这包括对模块接口、连接方式以及集成控制策略的深入研究。通过模块化设计，可以加速燃料电池系统的开发周期，降低生产成本，并提高系统的可靠性。例如，我们将分析不同模块化配置对系统效率和稳定性的影响，并为不同功率需求的场景提供设计参考。 第二部分：先进电解质膜与催化剂的性能调控 质子交换膜（PEM）和催化剂是PEM燃料电池的心脏。本部分将深入剖析影响这两大关键组件性能的因素，并探索如何通过材料创新实现性能的飞跃。 在电解质膜方面，我们将超越传统的全氟磺酸（PFSA）膜，研究新型高性能质子交换膜的研发进展。这包括了对新型聚合物基体、磺化方法以及膜形态的控制。我们将重点关注这些新型膜在提高质子传导率、降低电子导电性、增强机械强度以及提升耐高温和耐氧化性方面的潜力。本书将讨论如何通过精确的分子设计和加工工艺，来优化膜的离子传导网络，减少水管理问题，并抑制膜在苛刻工作条件下的劣化。 对于催化剂，我们不仅将聚焦于铂（Pt）基催化剂的性能提升，还将探讨非贵金属催化剂以及新型高分散性催化剂的研发。我们将深入研究催化剂的纳米结构、载体效应以及合金化策略，如何影响活性位点的数量和质量，从而提高氧还原反应（ORR）和析氢反应（HER）的催化活性。此外，本书还将讨论催化剂的稳定性问题，包括对中毒、烧结和腐蚀的抵抗能力，并提出相应的改进措施。例如，我们将分析不同载体材料（如碳纳米管、石墨烯、金属氧化物）对催化剂性能的影响，以及如何通过表面改性来提高催化剂的耐久性。 第三部分：多物理场耦合仿真与实验验证 虽然本书不侧重于数值模型本身，但理解多物理场耦合在实际应用中的重要性是必不可少的。本部分将阐述如何通过先进的仿真技术来预测和优化燃料电池的性能，并强调实验验证在模型建立和结果确认中的关键作用。 我们将介绍如何在仿真中考虑电化学反应、传质（气体、液体）、传热、流体动力学以及机械应力之间的复杂耦合关系。例如，我们将讨论如何利用这些仿真工具来预测燃料电池在不同操作条件下的电压损失分布、湿度梯度以及温度分布，从而指导优化设计。本书还将强调建立精确仿真模型的关键参数，以及如何利用实验数据来校准和验证仿真结果。 在实验验证方面，我们将涵盖各种先进的实验技术，用于表征燃料电池的性能、结构和失效机理。这包括循环伏安法（CV）、电化学阻抗谱（EIS）、X射线衍射（XRD）、透射电子显微镜（TEM）以及扫描电子显微镜（SEM）等。本书将结合实际案例，展示如何利用这些实验手段来评估新型材料的性能，诊断系统故障，并为未来的研发提供数据支持。例如，我们将讨论如何通过EIS来区分不同类型的电化学阻抗，并如何结合SEM图像来分析电极表面的微观形貌变化。 第四部分：燃料电池系统的集成化与能源效率最大化 本部分将视角进一步提升至整个燃料电池系统层面，关注如何实现高效的能量转化与利用。我们将探讨与PEM燃料电池配套的辅助系统，如空压机、加湿器、冷却系统以及电力电子转换器等，它们如何协同工作以最大化整体能源效率。 我们将深入分析不同辅助组件的性能特点及其对燃料电池性能的影响。例如，空压机的功耗、加湿器的水管理效率、冷却系统的热量移除能力，都直接影响着燃料电池的净输出功率和系统效率。本书将提出集成化的优化策略，通过优化这些辅助组件的设计和控制，以最小化整体能量损耗。 此外，本书还将探讨如何将PEM燃料电池与储能系统（如电池组）、可再生能源（如太阳能、风能）相结合，构建混合能源系统。我们将分析不同混合配置下的能量管理策略，以实现最优的经济性和可靠性。例如，我们将讨论在瞬态负荷变化时，如何协调燃料电池和储能系统的工作，以保证电网的稳定供电。 第五部分：面向未来的PEM燃料电池应用与发展趋势 本部分展望了PEM燃料电池在各个领域的广阔应用前景，并探讨了未来几年的关键发展趋势。从交通运输到固定式发电，再到便携式电子设备，PEM燃料电池正逐步渗透到我们生活的方方面面。 我们将详细介绍PEM燃料电池在电动汽车、重型卡车、船舶以及航空领域的应用现状和挑战。这包括对续航里程、加氢基础设施、成本以及耐久性的讨论。同时，本书还将关注PEM燃料电池在区域能源系统、备用电源以及分布式发电中的应用潜力，并分析其在提高能源安全性和减少碳排放方面的重要作用。 最后，本部分将汇聚行业内的最新研究成果和技术突破，预测PEM燃料电池领域未来的发展方向。这包括对固态电解质、燃料电池-内燃机混合动力系统、以及先进诊断与监控技术等前沿领域的探讨。本书旨在为读者提供一个全面而深入的视角，了解PEM燃料电池技术的最新进展，并激发下一代能源解决方案的创新思维。

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**第五个评价：** 如果我必须用一个词来形容这本书，那就是“不合时宜”。书中引用的计算方法和软件环境似乎停滞在了十年前的水平。例如，在讨论瞬态响应和动态操作时，书中仍然侧重于传统的有限元方法（FEM）的直接时间积分，而对于当前计算化学和物理领域广泛采用的更高效的、基于模型降阶（MOR）的快速求解器，或者基于深度学习的替代模型构建方法，只是一笔带过，缺乏严肃的讨论。在新能源技术迭代如此迅速的今天，一本聚焦于“建模”的专著，如果不能反映最新的计算范式，其参考价值就会大打折扣。此外，书中对开源工具和计算资源利用的介绍也十分陈旧，没有提及如何利用现代高性能计算集群（HPC）来并行化复杂的3D全尺寸电池模型。对于希望利用最新工具箱来提高研究效率的年轻学者来说，这本书提供的技术栈已经落后于行业前沿，更像是一部历史文献，而不是一本面向未来的参考书。它没有提供任何关于如何将模型高效部署到实时控制系统或测试台架上的实用指导。

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**第三个评价：** 我完全被这本书的排版和视觉呈现所愚弄了。封面设计看起来很现代、很专业，让人期待能接触到前沿的模拟技术和高清晰度的可视化结果。然而，书本内部的插图质量简直令人发指。很多关于电流密度分布、气流场和温度梯度的彩色图谱，打印出来后色彩混杂，线条模糊，根本无法分辨出关键的等值线细节。更别提那些看似复杂的三维渲染图，它们除了占据版面，对于理解模型内部的物理机制几乎没有任何帮助。这种对视觉信息传达的漠视，在强调“建模与材料”的学科中是不可原谅的。建模的核心就在于将抽象的物理过程具象化，而这本书在这方面做得非常失败。此外，全书的术语一致性也存在问题，同一个物理量有时用不同的符号表示，这在阅读过程中造成了不必要的认知负担。我不得不频繁地翻回前面的章节去确认某个希腊字母究竟代表什么物理量。这本书似乎更注重于展示作者团队研究的广度，而非深度和清晰度，对于希望通过视觉辅助学习的读者来说，这无疑是一次令人沮丧的体验。

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**第一个评价：** 这本书的结构设置简直是一场灾难，完全无法引导读者进入复杂的燃料电池建模世界。作者似乎默认你已经对电化学和材料科学了如指掌，上来就是一堆复杂的偏微分方程和边界条件，中间缺乏必要的铺陈和直观的解释。读起来就像在啃一块没有经过任何预处理的硬骨头，每前进一步都需要耗费极大的精力去查阅背景知识，这极大地削弱了学习的连贯性和效率。尤其是在介绍多孔介质输运机制的部分，图示的质量低劣且标注模糊不清，让人无法清晰地理解电荷、物质和热量是如何在三维空间中相互作用的。对于初次接触PEMFC（质子交换膜燃料电池）建模的工程师或研究生来说，这本书的门槛高得令人望而却步。它更像是某个内部研究团队的技术手册，而非一本面向更广泛学术群体的教学或参考书籍。我期望看到的是对基本假设的深入剖析，比如欧姆极化、浓差极化在不同操作条件下的具体表现，但这些内容要么被一带而过，要么被淹没在冗长且晦涩的数学推导中。总而言之，如果你的目标是快速掌握和应用PEMFC的数值模拟工具，这本书提供的指导价值非常有限，它更像是对现有文献的简单堆砌，缺乏对“如何做”的清晰路线图。我花费了大量时间试图从其中提炼出可操作的知识点，但最终感到筋疲力尽，收获甚微。

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**第二个评价：** 这本书的理论深度毋庸置疑，它在某些特定、前沿的界面现象描述上确实展现了扎实的功底。特别是关于膜电极组（MEA）内部的微观结构对性能影响的讨论，它试图去量化那些传统模型常常忽略的细微差异。然而，这种深度是以牺牲其实用性为代价的。书中大量篇幅用于推导那些在标准商业模拟软件（如COMSOL或Ansys Fluent）中早已被内置和优化好的基础模块方程。举个例子，关于水管理和溶胀效应的耦合模型，虽然数学上严谨，但缺乏对这些参数在实际电池运行中如何随温度和湿度波动的敏感性分析。如果作者能用更少的篇幅去展示这些“已知”的理论框架，转而聚焦于如何有效率地校准这些复杂模型，或者探讨如何将计算流体力学（CFD）与电化学模型进行更紧密的混合求解策略，这本书的价值将大大提升。目前的呈现方式，给读者的感受是，它一直在努力证明自己比现有的教材更“底层”，却忘记了读者最终是需要将其应用于解决实际工程问题的。最后几章关于老化机制的讨论也显得非常概念化，缺乏实际的实验数据或案例来支撑其预测能力。这本书更像是一份深入的学术报告合集，而非一本可以指导工程实践的专著。

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**第四个评价：** 这本书在处理“材料”这个关键维度时，显得力不从心，几乎将重点完全偏向了“设备”的宏观流体动力学和电化学集成。例如，对于催化层（CL）中的离子交换膜材料，书中只是简单地引用了几个固定的参数值，例如电导率和扩散系数，却没有深入探讨这些参数如何受到纳米孔隙结构、交联程度或水合状态的影响。我们知道，PEMFC性能的瓶颈往往就在于这些微观材料的本征特性，但这本书仅仅把材料当作一组不可变的常数输入到宏观模型中，这种处理方式显得过于简化和保守。我期待看到的是关于新型非氟化膜或新型催化剂载体在模型中的动态响应分析，或者至少是对材料老化导致的参数漂移进行系统的灵敏度分析。但这些真正能体现“材料建模”价值的内容几乎没有涉及。这本书与其说是一本关于“Device and Materials Modeling”的书，不如说更偏向于“Device Modeling Only”，材料部分更像是匆忙加上去的点缀，缺乏实质性的内容支撑，使得书名有些名不副实。

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