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。

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

译者序
化石能源的不可持续及其引发的环境问题，使得太阳能、风能等可再生能源在近20年来得到了迅猛发展。并网发电是开发和利用太阳能、风能的主要方式，但由于它们具有随机性和不稳定性的特征，当其发电的比例较高时，将影响电力系统的运行，弃光、弃风不可避免。通过合理配置储能环节，使太阳能和风力发电系统成为可信的电源，具有重要的意义。
而在众多的储能方式中，氢能是 理想的方案，它与电能互补，是未来绿色、低碳、清洁、高效能源体系的重要组成部分。电解水制氢和由燃料电池将氢气和氧气结合起来产生电力，可以实现电能与氢能的相互转换，且转换的过程安静、无污染。
燃料电池是氢能转换为电能的枢纽，种类繁多，相关书籍很多。本书主要介绍了作者10多年来在质子交换膜燃料电池和固体氧化物燃料电池方面的研究成果，融汇了燃料电池系统的理论、建模、接口和控制。对于使用燃料电池进行发电系统设计的研究人员和工程师，有很好的参考作用。本书相关的MATLAB/SIMU- LINK和PSpice仿真模型在网站ftp://ftpwileycom/sci_tech_med/fuel_cells中给出，并且在附录中详细介绍了使用方法，对希望深入研究燃料电池发电系统的读者，本书将起到极好的引导作用。