燃料电池的建模与控制及其在分布式发电中的应用

　　燃料电池技术近年来得到了快速的发展，尤其是在分布式发电的应用领域。本书除介绍质子交换膜燃料电池的建模外，还介绍了固体氧化物燃料电池和电解器的模型，同时分析了用于燃料电池的电力电子接口电路、并网型和独立型燃料电池发电系统的控制、混合型燃料电池能量系统，以及对燃料电池的挑战与展望。 值得肯定的是，本书中所有的模型在PSpice和MATLAB中都有建立，同时在书中给出了本书所有模型的仿真文件。 本书对从事分布式发电、燃料电池方面工作的技术人员以及相关专业的高校师生，将会提供极大的帮助。

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译者序
原书前言
原书致谢
第1章绪论1
11背景：美国电网的形成与重构简介2
12电力管制放开和分布式发电5
13分布式电源的类型6
14燃料电池分布式电源8
15氢能经济11
151简介11
152转型到氢能经济的挑战12
153氢的生产12
154氢能的存储和配送16
155美国能源部的与氢有关的活动16
156本书的任务18
参考文献20
第2章燃料电池的工作原理22
21引言23
22元素的化学能与热能23
23热力学基础24
231热力学第一定律24
232热力学第二定律24
24电化学基础26
241吉布斯自由能26
25化学反应中的能量平衡27
26能斯特方程28
27燃料电池的基础29
28燃料电池的类型30
29燃料电池等效电路39
210双电层电容效应40
211总结41
参考文献42
第3章质子交换膜燃料电池的动态建模与仿真43
31引言: 燃料电池动态模型的需求44
32专门术语（PEMFC）44
33PEMFC的动态模型建立47
燃料电池的建模与控制及其在分布式发电中的应用目录331电极上的气体扩散48
332物质守恒50
333PEMFC的输出电压50
334PEMFC的电压降51
335PEMFC热力学平衡53
34PEMFC的模型结构54
35PEMFC的等效电路模型55
36PEMFC模型的验证59
参考文献64
第4章固体氧化物燃料电池的动态建模与仿真65
41引言66
42术语（SOFC）66
43SOFC动态建模68
431有效分压69
432物质守恒71
433SOFC输出电压72
434管状SOFC的热力学能量平衡76
44SOFC动态模型结构78
45恒定燃料流量操作下SOFC模型的响应特性79
451稳态特性79
452动态响应81
46恒定燃料利用率模式下的SOFC模型响应85
461稳态特性86
462动态响应87
参考文献88
第5章电解槽的运行原理和建模90
51电解槽的运行原理91
52电解槽的动态建模92
521电解槽的静态（V-I）特性93
522制氢速率的建模93
523电解槽的热模型94
53电解槽模型的实现95
参考文献97
第6章应用于燃料电池的功率变换器98
61引言99
62功率半导体开关器件的概述100
621二极管100
622晶闸管100
623双极结型晶体管101
624金属-氧化物半导体场效应晶体管102
625门极可关断晶闸管103
626绝缘栅双极型晶体管103
627MOS控制晶闸管104
63AC/DC整流器105
631电路拓扑105
632三相可控整流器的简化模型107
64DC/DC变换器110
641升压变换器110
642降压变换器114
65三相DC/AC逆变器117
651电路拓扑117
652状态空间模型119
653abc/dq变换122
654dq坐标系下状态空间模型123
655三相VSI的理想模型124
参考文献127
第7章并网型燃料电池发电系统的控制128
71引言129
72并网系统的配置129
721PEMFC单元的配置130
722SOFC单元的配置131
73DC/DC变换器和逆变器的控制器的设计132
731升压DC/DC变换器电路和控制器的设计132
732三相VSI的控制器的设计136
74仿真结果143
741期望输出到电网的有功和无功功率——重载143
742轻载情况下向电网输出有功功率、从电网吸收无功功率146
743燃料电池的负载性能跟随分析150
744故障分析152
75总结154
参考文献154
第8章独立型燃料电池发电系统的控制157
81引言158
82系统描述和控制策略158
83减缓负载瞬变控制159
831铅酸蓄电池的电路模型160
832电池充/放电控制器161
833滤波器的设计162
84仿真结果163
841负载的暂态变化163
842负载瞬变减缓166
843蓄电池充/放电控制器170
85总结172
参考文献172
第9章基于混合燃料电池的能源系统案例研究174
91引言175
92混合电子接口系统176
921直流耦合系统176
922交流耦合系统178
923不同于并网系统的独立运行系统178
93热电混合运行模式下的燃料电池179
94案例研究Ⅰ：风能-光伏-燃料电池混合式独立发电系统180
941系统结构180
942系统单元规格182
943系统组件特性185
944系统控制186
945仿真结果191
95案例研究Ⅱ：混合运行模式SOFC的效率评估196
951热力学定律与SOFC效率196
952氢燃料热值200
953SOFC电效率201
954混合热电联产运行模式SOFC的效率202
96总结204
参考文献204
第10章燃料电池目前的挑战和发展趋势210
101引言211
102燃料电池系统运行211
1021燃料处理器211
1022燃料电池堆212
1023功率调节器系统213
1024发电厂平衡(BOP)系统215
103当前的挑战和机遇216
1031成本216
1032燃料和燃料基础设施216
1033材料和制造217
104美国燃料电池研发项目218
1041美国能源部的SOFC相关项目218
105燃料电池的未来：综述和作者的观点219
参考文献220
附录运行PEMFC、SOFC模型及其分布式发电应用模型的指南223