固体氧化物燃料电池能量转化与储存

　　燃料电池技术是能够实现能源清洁、高效利用的一类前沿关键技术，可望成为继火电、水电、核电后的第四代发电技术，成为电力行业的主力军之一。《固体氧化物燃料电池能量转化与储存》重点针对高温固体氧化物燃料电池及其逆过程，介绍高温电化学能量转化与储存技术的相关基础知识，阐释电化学科学与先进能源转化装置的关系。针对当前清洁能源发电及储能等关键技术，深入剖析电化学反应体系热力学理论、反应动力学理论及传递过程，分析电化学反应装置的理论建模方法及实验测试手段，研讨固体氧化物燃料电池的特征、结构，分析系统匹配与集成优化策略。

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目录
前言
主要符号对照表
第1章 绪论 1
参考文献 7
第2章 热力学 8
2.1 引言 8
2.2 可逆性 8
2.3 燃料电池最大电功与效率极限 9
2.3.1 Gibbs自由能与最大电功 9
2.3.2 效率与效率极限 11
2.4 燃料电池的电动势 15
2.4.1 Gibbs自由能与电动势 15
2.4.2 非标准状态电动势 17
2.5 界面电势差 25
2.5.1 双电层 25
2.5.2 相间电势 26
2.5.3 电化学势 28
参考文献 30
第3章 反应动力学 31
3.1 引言 31
3.2 质量作用定律 31
3.3 基元反应 33
3.4 化学反应速率理论 34
3.4.1 分子间碰撞 34
3.4.2 分子与固体表面碰撞 36
3.4.3 基于碰撞理论的反应速率表达式 38
3.5 非均相反应动力学 41
3.5.1 反应动力学表达式 41
3.5.2 通用表面动力学形式 48
3.5.3 黏附系数 50
3.6 电化学反应动力学 51
3.6.1 电化学反应动力学引言 51
3.6.2 活化能与反应速率 53
3.6.3 平衡状态下的电极反应动力学 55
3.6.4 电势与电化学反应速率的定量关联 56
参考文献 62
第4章 固体氧化物燃料电池 63
4.1 引言 63
4.2 SOFC的研发进展 64
4.3 SOFC工作原理 67
4.4 三相界面电化学氧化反应机理 69
4.4.1 H2电化学氧化反应机理 69
4.4.2 CO电化学氧化反应机理 75
4.5 碳氢燃料SOFC 77
4.5.1 碳氢燃料重整反应机理 77
4.5.2 碳氢燃料直接电化学氧化反应机理 83
4.6 积碳特性与反应机理 84
4.6.1 热力学分析 84
4.6.2 积碳反应机理 85
4.6.3 抗积碳材料 86
4.7 H2S中毒及氧化 87
4.8 SOFC发电系统 89
4.8.1 SOFC简单循环发电系统 89
4.8.2 SOFC-GT混合发电系统 91
4.9 本章小结 94
参考文献 95
第5章 固体氧化物燃料电池模型 100
5.1 引言 100
5.2 SOFC模拟研究意义 100
5.3 SOFC模型类型 101
5.3.1 膜电极模型 101
5.3.2 电池单元及电堆模型 102
5.3.3 系统模型 103
5.4 纽扣电池模型 104
5.4.1 模拟计算域与模型假设 105
5.4.2 反应机理 106
5.4.3 控制方程 108
5.4.4 边界条件设置 114
5.4.5 模型参数 114
5.4.6 模拟结果分析 115
5.5 SOFC电池单元与电堆模型 118
5.5.1 模型求解域 119
5.5.2 控制方程 120
5.5.3 边界条件 122
5.5.4 模拟结果分析 123
5.6 发电系统模型 128
5.6.1 西门子-西屋公司SOFC-GT混合发电系统 129
5.6.2 准二维SOFC模型 130
5.6.3 GT模型 137
5.6.4 换热器模型 137
5.6.5 重整器模型 138
5.6.6 燃烧器模型 140
5.6.7 模拟结果分析 140
5.7 本章小结 144
参考文献 144
第6章 固体氧化物火焰燃料电池 148
6.1 引言 148
6.2 发展概况及工作原理 149
6.2.1 发展概况 149
6.2.2 工作原理 150
6.3 SOFC热应力及抗热震性 152
6.3.1 FFC热应力分析模型 153
6.3.2 FFC启动中热应力及抗热震性 156
6.3.3 FFC运行中热应力 157
6.4 燃烧器富燃重整特性 160
6.4.1 自由空间富燃燃烧 160
6.4.2 多孔介质富燃燃烧 161
6.5 富燃火焰与燃料电池的耦合匹配特性 164
6.5.1 FFC基础性能 164
6.5.2 FFC电池单元构型 169
6.5.3 SOFC与富燃火焰耦合作用机制 171
6.6 FFC热电联供系统 172
6.6.1 基于FFC的微型冷热电联供系统模型 173
6.6.2 富燃当量比对系统性能的影响 175
6.6.3 燃料利用率对系统性能的影响 177
6.6.4 不同系统构型比较 178
6.7 挑战与展望 178
参考文献 179
第7章 固体氧化物直接碳燃料电池 182
7.1 引言 182
7.2 DCFC热力学分析 184
7.2.1 DCFC的开路电压 184
7.2.2 DCFC的理论效率 185
7.2.3 DCFC实际效率分析 185
7.3 SO-DCFC结构及分类 186
7.3.1 多孔固体阳极SO-DCFC 186
7.3.2 熔融碳酸盐阳极SO-DCFC 188
7.3.3 液态金属阳极SO-DCFC 191
7.4 多孔固体阳极SO-DCFC 193
7.4.1 CO反应传递影响 194
7.4.2 水蒸气气化的影响 195
7.4.3 催化气化反应的影响 196
7.4.4 碳间接反应的影响 198
7.5 熔融碳酸盐阳极SO-DCFC 200
7.5.1 熔融碳酸盐浸润特性的影响 200
7.5.2 熔融碳酸盐阳极反应机理 203
7.6 液态金属阳极SO-DCFC 207
7.6.1 金属氧化物对液态金属阳极的影响 207
7.6.2 液态金属阳极中的碳转化机理 210
7.7 DCFC电堆及系统 215
7.8 挑战与展望 218
7.8.1 DCFC的技术挑战 218
7.8.2 展望 221
参考文献 222
第8章 固体氧化物电解池及其可逆化操作 232
8.1 引言 232
8.2 SOEC的基本原理 234
8.3 三相界面的电化学反应机理 237
8.3.1 H2O/H2电化学转化 238
8.3.2 CO2/CO电化学转化 241
8.4 多孔电极中多相催化与电化学反应耦合 245
8.4.1 基本电化学性能 245
8.4.2 燃料极空间积碳特性 247
8.4.3 共电解H2O/CO2直接合成甲烷机理 247
8.4.4 介尺度多孔电极基元反应模型 249
8.4.5 多孔燃料极的化学/电化学反应分区 254
8.4.6 电极反应与传递过程耦合 257
8.4.7 辅助电解降低电耗 258
8.5 管式单元产物定向调控和动态特性 263
8.5.1 管式SOEC单元共电解H2O/CO2电化学性能 264
8.5.2 管式SOEC共电解H2O/CO2甲烷生成特性 264
8.5.3 多物理场耦合的管式SOEC热电模型 265
8.5.4 管式SOEC的热效应 268
8.5.5 管式SOEC甲烷合成定向调控 268
8.5.6 管式SOEC动态特性 271
8.6 可再生能源电制气分布式储能系统能效与稳定性 272
8.6.1 SOEC可逆化操作实现多能源转化 273
8.6.2 SOEC电解合成甲烷子系统分析 274
8.6.3 风电融入下的可逆SOEC储能系统稳定性分析 275
8.7 挑战与展望 278
参考文献 279
第9章 固体氧化物电池实验测试技术及分析方法 285
9.1 引言 285
9.2 稳态测试技术 286
9.2.1 电化学基础变量：电压、电流和时间 286
9.2.2 极化曲线 287
9.3 瞬态测试技术 288
9.3.1 EIS测试技术 288
9.3.2 基于机理模型的解谱技术 290
9.4 电化学反应体系的原位测试与分析 294
9.4.1 拉曼光谱原理 295
9.4.2 高温原位拉曼光谱在SOC反应体系的应用 297
9.5 基于图案电极的测试技术与反应机理解析 302
参考文献 305