固体氧化物燃料电池理论分析与结构优化设计

1.《固体氧化物燃料电池理论分析与结构优化设计》是对燃料电池进行建模、分析、优化，数据图表丰富，一手资料，对固体氧化物燃料电池的研究人员可参考较强。

2.《固体氧化物燃料电池理论分析与结构优化设计》作者长期从事固体氧化物燃料电池的研究，书中数据分析资料来自自身的研究，真实可靠，有一定的借鉴性。

 

与火力发电原理不同，燃料电池是直接将燃料的化学能转变为电能，因此燃料电池的效率比火力发电的效率高得多。燃料电池作为继水电、火电、核电之后的第四代新型发电技术，得到了世界各国的重视。与其他类型的燃料电池相比， 固体氧化物燃料电池（SOFC）具有燃料灵活、全固态、不需要昂贵的催化剂、高温余热等突出的优势。《固体氧化物燃料电池理论分析与结构优化设计》在固体氧化物燃料电池气体传质模型和电极孔隙结构的重构、曲率的推导、纺丝电极的三相线模型构建、支撑结构对性能的影响、双电极支撑SOFC提出及分析、电极厚度的优化、肋尺寸的影响及优化、新型连接体及电堆的设计、SOFC多场模型的开发等方面进行了重点介绍。本书适合从事新能源、能源化学，特别是燃料电池领域的研究生和科研人员使用，也可供能源行业相关工程师和技术人员参考。

第1章绪论1

1.1燃料电池简介1

1.2固体氧化物燃料电池优势2

1.3固体氧化物燃料电池的开路电压2

1.4固体氧化物燃料电池的三种极化损失4

1.4.1活化极化5

1.4.2欧姆极化6

1.4.3浓差极化6

1.5固体氧化物燃料电池的效率7

第2章具有菲克定律形式的尘气模型11

2.1引言11

2.2理论12

2.3模型验证14

2.3.1模型描述14

2.3.2数值模拟方法和模型参数15

2.4DGMFM准确性分析16

2.4.1基本模型参数时DGMFM准确性分析16

2.4.2不同阳极结构时DGMFM准确性分析17

2.4.3不同操作条件时DGMFM准确性分析17

2.4.4DGMFM高度准确的原因20

2.5小结21

参考文献21

第3章传统电极曲率模型23

3.1传质理论23

3.1.1菲克模型23

3.1.2麦克斯韦-斯特藩模型24

3.1.3尘气模型24

3.1.4菲克形式尘气模型25

3.2曲率综述25

3.3曲率的计算27

3.3.13D立方体堆积27

3.3.2扩散模拟27

3.3.3模型验证与计算结果分析28

3.4曲率的推导31

3.4.1理论推导31

3.4.2模型验证及计算结果分析33

3.5小结34

参考文献34

第4章静电纺丝电极三相线模型37

4.1电极TPB模型简介37

4.1.1传统电极37

4.1.2浸渍电极38

4.2静电纺丝电极TPB模型39

4.3静电纺丝电极TPB长度计算40

4.4逾渗率42

4.5TPB长度43

4.6小结44

参考文献45

第5章阳极支撑与阴极支撑SOFC性能对比分析47

5.1引言47

5.2模型48

5.2.1控制方程48

5.2.2边界条件50

5.3模型参数52

5.4计算结果分析52

5.4.1气体浓度分布53

5.4.2电势分布54

5.4.3温度分布54

5.4.4肋宽度的影响54

5.4.5接触电阻和单元宽度的影响55

5.5小结56

参考文献57

第6章双电极支撑SOFC性能分析58

6.1引言58

6.2模型59

6.2.1物理模型59

6.2.2导电过程的控制方程59

6.2.3质量输运过程的控制方程60

6.2.4边界条件60

6.2.5模型参数及验证62

6.3计算结果分析63

6.3.1物理量分布对比63

6.3.2不同参数的影响65

6.4小结67

参考文献67

第7章电解质支撑SOFC电极厚度分析69

7.1引言69

7.2物理模型70

7.3数学模型70

7.3.1物质传输控制方程70

7.3.2导电控制方程71

7.4计算结果分析71

7.4.1气体浓度分布71

7.4.2电极集流层厚度优化71

7.5小结74

参考文献74

第8章阳极支撑SOFC肋尺寸分析76

8.1引言76

8.2理论方法77

8.2.1物理模型77

8.2.2气体在多孔介质中的输运控制方程78

8.2.3导电过程的控制方程79

8.2.4边界条件(BCs)80

8.2.5数值方法81

8.2.6模型参数和数值验证81

8.3结果与讨论83

8.3.1电池性能与肋宽度的关系83

8.3.2阳极肋宽度对电池性能的影响85

8.3.3阴极肋宽度对电池性能的影响87

8.3.4肋宽度的计算公式89

8.4小结91

参考文献91

第9章阴极支撑SOFC肋优化93

9.1引言93

9.2模型94

9.2.1几何模型94

9.2.2传质过程模拟95

9.2.3导电过程模拟97

9.2.4边界条件99

9.2.5数值求解99

9.2.6数值验证100

9.3结果与讨论101

9.3.1肋宽度对电池性能影响101

9.3.2肋宽度表达式102

9.4小结104

参考文献104

第10章SOFC肋尺寸选取107

10.1引言107

10.2模型108

10.3计算结果分析108

10.4小结113

参考文献114

第11章SOFC新型连接体设计与优化115

11.1引言115

11.2模型115

11.2.1几何模型115

11.2.2气体输运方程117

11.2.3导电方程117

11.2.4Butler-Volmer方程118

11.2.5边界设置118

11.3不同连接体设计性能对比119

11.3.1阳极浓度过电势分布119

11.3.2阴极电势分布119

11.3.3电导率的影响121

11.3.4孔隙率的影响122

11.3.5单元宽度和Vop的影响123

11.4交叉形连接体结构优化125

11.4.1阴极连接体多参数优化125

11.4.2阳极连接体多参数优化128

11.5小结131

参考文献131

第12章SOFC多场模型的开发133

12.1SOFC多场模型概述133

12.2模型134

12.2.1几何模型134

12.2.2电荷守恒方程135

12.2.3动量守恒方程136

12.2.4质量守恒方程136

12.2.5能量守恒方程137

12.2.6边界条件138

12.2.7多场模型开发139

12.3计算结果分析140

12.4新型电堆设计142

12.5小结145

参考文献146

固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种高温燃料电池，在军事、电力及运输上具有广阔的应用前景，是当前国际新能源技术发展的一大热点。SOFC工作过程中涉及的物理过程、化学过程和电化学过程并非互不相干而是强烈相互耦合的。通过实验方法研究不同过程间的相互作用是一种非常昂贵且耗时的方式。相对而言，一方面数值模拟方法不仅成本低而且高效，另一方面数值模拟不仅有助于研究者加深对SOFC工作过程中各种现象的理解，而且还可以非常容易地分析各种参数对SOFC性能的影响，进而发现潜在问题，进行有针对性的优化设计。随着计算机和商业软件的发展，数值模拟方法变得越来越强大、越来越准确。因此在SOFC商业化的道路上，数值模拟方法扮演着越来越重要的角色。《固体氧化物燃料电池理论分析与结构优化设计》共分12章，下面简要介绍各章的主要内容。第1章简要介绍了燃料电池，重点介绍了固体氧化物燃料电池开路电压、活化极化、欧姆极化、浓差极化、效率的计算方法；第2章介绍了一个具有菲克定律形式的尘气模型；第3章提出了采用3D立方体堆积方法重构电极微观结构，然后基于重构的电极3D立方体堆积模型，推导了电极的曲率；第4章建立了纺丝电极的三相线（TPB）理论模型；第5章对比分析了阳极支撑SOFC（ASC）与阴极支撑SOFC（CSC）的差异；第6章提出了一种新颖的SOFC构型-双电极支撑结构（BSC）；第7章分析了电极集流层厚度对SOFC性能的影响；第8章分析了肋对电池性能的影响；第9章对阴极支撑SOFC肋尺寸进行了优化；第10章介绍了不同接触电阻时肋合适的取值范围；第11章设计了一种新型连接体——交叉形连接体；第12章建立了SOFC的全尺寸多物理场模型。全书从燃料电池的各个结构对其进行解析和优化，数据图表均来自于作者的研究成果，相信会为研究燃料电池的技术人员、相关高校教师提供一些借鉴。本书主要由孔为、潘泽华、韩雷涛等著，肖蓓蓓、王亮、高祥、张强、吴杰、张文轩、张梦彤、韩振、黄红艳、柴业鹏等也参与了本书的撰写、修改校正工作，在此一并表示感谢。感谢中国科学技术大学林子敬教授、江苏科技大学苏石川教授、陈代芬副院长等的帮助以及江苏科技大学给予的支持与资助。此外，我们特别感谢化学工业出版社的相关编辑在本书出版过程中所给予的帮助和支持！由于作者的水平有限，疏漏与不足之处在所难免，敬请同行与读者不吝赐教。著者2018年1月