固体氧化物燃料电池动力系统技术王雨晴史翊翔史继鑫等_王雨晴史翊翔史继鑫等_9787111738947

本书针对SOFC及其动力系统，介绍了高温电化学动力发电领域的相关基础知识、关键技术与前沿方向。具体来说，本书首先介绍了面向动态负荷的SOFC电池及电堆技术，如金属支撑SOFC、管式SOFC、微管式SOFC（第2～4章主要内容）；随后探讨了面向性能及寿命提升的SOFC多物理场管控与检测诊断技术（第5章主要内容）；最后阐述了面向系统集成的燃料处理、集成控制、应用技术等（第6、8、9章主要内容），此外，本书还以航空动力领域为例阐述了SOFC在典型动力系统中的应用（第7章主要内容）。
本书主要面向高等院校、研究机构以及相关企业从事固体氧化物燃料电池研究与应用工作的读者。本书既可以作为能源动力相关专业的研究生教材，也可作为固体氧化物燃料电池动力系统研发的参考书籍。

固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell， SOFC）可在高温下直接将燃料的化学能转化为电能，是一种清洁、高效的发电技术，将在未来的能源、电力、运输等国民经济领域发挥重要作用。SOFC发电过程突破卡诺循环的限制，发电效率可达50%以上，同时其尾气余热能级高，可进一步与燃气轮机（Gas Turbine， GT）结合组成混合动力系统，系统发电效率可达80%以上，被公认为是最具潜力的动力发电技术之一。此外，SOFC高温操作使其可以利用煤气化合成气、天然气甚至汽油、柴油等作为燃料，在发电过程中避免高污染的燃烧环节，能够实现污染物近零排放及CO2高浓度富集，是面向碳中和及动力系统减排需求的变革性碳基燃料发电技术。
传统SOFC的应用场合集中于大型电站等固定式应用领域，面向动力系统的应用需求，SOFC系统需重点突破启动慢、系统紧凑度低等瓶颈问题。本书针对SOFC在动力系统应用中的难点与痛点，着重介绍了SOFC电池及电堆构型、多场管理、系统集成、燃料处理等关键技术，为推动SOFC动力系统研究与实际应用提供参考。第2 ~ 4章重点介绍了具有高抗热震性的几类SOFC构型的研发，分别针对金属支撑SOFC（第2章）、管式SOFC（第3章）与微管式SOFC（第4章）的制备、组堆等关键技术进行介绍；第5章探讨了管堆集成过程中的多物理场管控与检测诊断技术；第6 ~ 9章依次介绍了与动力系统集成相关的关键技术，包括动力系统与应用（第6章）、燃料处理技术（第8章）、动力系统控制（第9章）等，并以航空动力领域为例阐述了SOFC在典型动力系统中的应用（第7章）。
由于SOFC及其动力系统仍处于高速发展的阶段，目前针对某些问题，研究者仍有不同的看法，同时近年来也涌现了很多新型材料体系以及新型构型的SOFC，本书并不能详尽介绍所有相关的问题及文献，而着重于介绍高温电化学动力发电领域的相关基础知识、关键技术与前沿方向，读者可针对具体研究问题参阅更多相关文献。
本书作者均为从事SOFC领域相关研究多年的专家学者，在本书各章节对应技术研发中积累了深厚的学术研究与项目经验。具体来说，第1章作者为清华大学史翊翔教授和蔡宁生教授，第2章作者为西安交通大学李成新教授，第3章作者为山东科技大学涂宝峰教授，第4章作者为广东工业大学梁波副教授，第5章作者为清华大学博士研究生范峻华和北京理工大学王雨晴副教授，第6章作者为北京理工大学王雨晴副教授，第7章作者为清华大学张扬军教授和曾泽智博士，第8章作者为清华大学史继鑫博士和史翊翔教授，第9章作者为北京科技大学包成教授和东南大学孙立副研究员。在本书的校稿过程中，北京理工大学的研究生张瑞宇、李晓晓、王怡楠、李博坤以及清华大学的研究生谷鑫付出了宝贵的时间与精力，作者特此向他们致谢。本书部分研究成果受国家重点研发计划课题（2021YFB4001404、2022YFB4002603）资助，特此致谢。
由于作者水平有限，书中难免存在一些谬误，希望广大读者批评指正。

2023年1月于北京理工大学

丛书编委会
丛书序
序
前?言
第1章　绪论001
1.1　SOFC工作原理002
1.2　SOFC应用领域与发展现状004
1.3　SOFC动力系统挑战005
参考文献006
第2章　金属支撑SOFC007
2.1　概述008
2.1.1　结构及技术特点008
2.1.2　技术现状009
2.2　金属材料及其防护技术013
2.2.1　支撑体材料013
2.2.2　支撑体加工方法017
2.2.3　连接体021
2.3　电解质制备方法025
2.3.1　低温烧结制备技术026
2.3.2　涂层制备技术030
2.4　电堆集成及应用048
2.4.1　典型金属支撑电堆集成关键技术048
2.4.2　电堆集成现状052
参考文献056
第3章　管式SOFC063
3.1　发展概况065
3.2　管式SOFC材料与制备工艺066
3.2.1　阴极支撑管式SOFC066
3.2.2　阳极支撑管式SOFC069
3.3　管式SOFC组堆与系统集成技术075
3.3.1　组堆技术075
3.3.2　系统集成技术079
3.4　稳/动态特性084
3.4.1　管式SOFC单元参数分布特性 084
3.4.2　管式SOFC发电特征 086
3.4.3　管式SOFC发电系统稳/动态特性 089
3.5　动力系统中的典型应用091
参考文献092
第4章　微管式SOFC095
4.1　发展概况096
4.2　制备工艺097
4.2.1　支撑体制备097
4.2.2　电解质膜制备099
4.2.3　烧结特性100
4.3　批量化生产102
4.3.1　挤出成形法制备阳极管104
4.3.2　功能薄膜104
4.3.3　批量烧结105
4.4　组堆技术107
4.4.1　密封解决方案107
4.4.2　集流设计及实施111
4.4.3　尾气催化处理114
4.5　稳态/动态性能116
4.5.1　启动时间和冷热循环116
4.5.2　稳态-动态性能118
4.6　移动便携系统中的典型应用121
参考文献124
第5章　SOFC电堆多物理场管控与检测诊断129
5.1　多尺度模拟技术130
5.1.1　电极反应机理模型130
5.1.2　电池单元模拟137
5.1.3　电堆模拟151
5.2　电堆热管理156
5.2.1　电堆产热与散热机制157
5.2.2　电堆热管理技术157
5.3　性能检测与故障诊断技术160
参考文献164
第6章　SOFC动力系统与应用167
6.1　系统结构168
6.1.1　燃料供给与处理子系统169
6.1.2　发电子系统169
6.1.3　热管理子系统169
6.1.4　电力调控子系统171
6.2　典型系统设计与集成171
6.2.1　SOFC-电池动力系统172
6.2.2　SOFC-热机混合循环动力系统172
6.3　典型SOFC动力系统模拟174
6.3.1　零维BOP部件模型174
6.3.2　SOFC模型179
6.3.3　其他SOFC模型及系统模拟185
6.4　新型SOFC与应用188
6.4.1　直接火焰燃料电池188
6.4.2　直接氨燃料电池196
参考文献201
第7章　SOFC在航空动力领域的应用211
7.1　飞行汽车等航空领域运载工具对动力的需求212
7.1.1　飞行汽车简介212
7.1.2　飞行汽车运行特点及对动力的需求214
7.2　固体氧化物燃料电池在航空动力的应用218
7.2.1　NASA格林中心SOFC航空动力研究219
7.2.2　高抗热震性固体氧化物燃料电池研究222
7.2.3　SOFC/GT航空动力系统模拟研究 224
7.3　固体氧化物燃料电池涡电动力227
7.3.1　 SOFC涡电动力概述 227
7.3.2　SOFC涡电动力热力学模型 229
7.3.3　SOFC涡电动力系统参数敏感性分析与设计 232
7.4　应用于航空动力的SOFC小结与展望236
7.4.1　高压力条件下稳定运行的SOFC电堆研发 236
7.4.2　大功率高功率密度SOFC动力系统研究237
7.4.3　SOFC涡电动力热管理研究238
参考文献239
第8章　燃料处理技术243
8.1　燃料前处理技术244
8.1.1　前处理技术介绍244
8.1.2　不同燃料的前处理技术252
8.1.3　积炭260
8.2　尾气后处理技术263
参考文献265
第9章　SOFC动力系统控制275
9.1　安全运行区域276
9.2　部分负荷和非设计工况运行280
9.3　动态机理模型与负载跟随284
9.3.1　动态机理模型285
9.3.2　负载跟随286
9.4　动态模型辨识289
9.5　控制策略与控制器设计296
9.5.1　控制策略296
9.5.2　分散控制303
9.5.3　集中控制307
9.6　半实物仿真310
参考文献311

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