了得網工業技術_固體氧化物燃料電池動力繫統技術王雨晴史翊翔史繼鑫等

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固體氧化物燃料電池（SOFC）是一種清潔、高效的發電技術，將在未來的能源、電力、運輸等國民經濟領域發揮重要作用。SOFC發電過程突破卡諾循環的限制，發電效率可達50%以上，同時其尾氣餘熱能級高，可進一步與燃氣輪機結合組成混合動力繫統，繫統發電效率可達80%以上，被公認為是最具潛力的動力發電技術之一。此外，SOFC高溫操作使其可以利用煤氣化合成氣、天然氣甚至汽油、柴油等作為燃料，在發電過程中避免高污染的燃燒環節，能夠實現污染物近零排放及CO2高濃度富集，是面向碳中和及動力繫統減排需求的變革性碳基燃料發電技術。
本書是針對固體氧化物燃料電池技術進行較為全面介紹和論述的一本專著，從原理、應用、診斷、到繫統控制、設計、半實物仿真，對當前固體氧化物燃料電池技術的研究進展和趨勢進行了非常全面的介紹，可以說，這本書是目前想要了解固體氧化物燃料電池技術的首選讀物。

內容簡介

本書針對SOFC及其動力繫統，介紹了高溫電化學動力發電領域的相關基礎知識、關鍵技術與前沿方向。具體來說，本書首先介紹了面向動態負荷的SOFC電池及電堆技術，如金屬支撐SOFC、管式SOFC、微管式SOFC（第2～4章主要內容）；隨後探討了面向性能及壽命提升的SOFC多物理場管控與檢測診斷技術（第5章主要內容）；最後闡述了面向繫統集成的燃料處理、集成控制、應用技術等（第6、8、9章主要內容），此外，本書還以航空動力領域為例闡述了SOFC在典型動力繫統中的應用（第7章主要內容）。
本書主要面向高等院校、研究機構以及相關企業從事固體氧化物燃料電池研究與應用工作的讀者。本書既可以作為能源動力相關專業的研究生教材，也可作為固體氧化物燃料電池動力繫統研發的參考書籍。

作者簡介

王雨晴，女，博士，北京理工大學特別副研究員、博士生導師，德國洪堡學者。主要研究方向為燃料電池、分布式供能繫統。主持國家重點研發計劃項目課題、國家自然科學基金、北京市自然科學基金等多項國家/省部級縱向科研項目；曾入選第七屆中國科協青年人纔托舉工程、獲德國洪堡獎學金等獎勵。發表SCI論文30餘篇，出版《固體氧化物燃料電池能量轉化與儲存》等著作3部；獲授權國家發明專利4項。

叢書編委會
叢書序
序
前?言
第1章緒論001
1.1SOFC工作原理002
1.2SOFC應用領域與發展現狀004
1.3SOFC動力繫統挑戰005
參考文獻006
第2章金屬支撐SOFC007
2.1概述008
2.1.1結構及技術特點008
2.1.2技術現狀009
2.2金屬材料及其防護技術013

叢書編委會
叢書序
序
前?言
第1章緒論001
1.1SOFC工作原理002
1.2SOFC應用領域與發展現狀004
1.3SOFC動力繫統挑戰005
參考文獻006
第2章金屬支撐SOFC007
2.1概述008
2.1.1結構及技術特點008
2.1.2技術現狀009
2.2金屬材料及其防護技術013
2.2.1支撐體材料013
2.2.2支撐體加工方法017
2.2.3連接體021
2.3電解質制備方法025
2.3.1低溫燒結制備技術026
2.3.2塗層制備技術030
2.4電堆集成及應用048
2.4.1典型金屬支撐電堆集成關鍵技術048
2.4.2電堆集成現狀052
參考文獻056
第3章管式SOFC063
3.1發展概況065
3.2管式SOFC材料與制備工藝066
3.2.1陰極支撐管式SOFC066
3.2.2陽極支撐管式SOFC069
3.3管式SOFC組堆與繫統集成技術075
3.3.1組堆技術075
3.3.2繫統集成技術079
3.4穩/動態特性084
3.4.1管式SO參數分布特性 084
3.4.2管式SOFC發電特征 086
3.4.3管式SOFC發電繫統穩/動態特性 089
3.5動力繫統中的典型應用091
參考文獻092
第4章微管式SOFC095
4.1發展概況096
4.2制備工藝097
4.2.1支撐體制備097
4.2.2電解質膜制備099
4.2.3燒結特性100
4.3批量化生產102
4.3.1擠出成形法制備陽極管104
4.3.2功能薄膜104
4.3.3批量燒結105
4.4組堆技術107
4.4.1密封解決方案107
4.4.2集流設計及實施111
4.4.3尾氣催化處理114
4.5穩態/動態性能116
4.5.1啟動時間和冷熱循環116
4.5.2穩態-動態性能118
4.6移動便攜繫統中的典型應用121
參考文獻124
第5章SOFC電堆多物理場管控與檢測診斷129
5.1多尺度模擬技術130
5.1.1電極反應機理模型130
5.1.2模擬137
5.1.3電堆模擬151
5.2電堆熱管理156
5.2.1電堆產熱與散熱機制157
5.2.2電堆熱管理技術157
5.3性能檢測與故障診斷技術160
參考文獻164
第6章SOFC動力繫統與應用167
6.1繫統結構168
6.1.1燃料供給與處理子繫統169
6.1.2發電子繫統169
6.1.3熱管理子繫統169
6.1.4電力調控子繫統171
6.2典型繫統設計與集成171
6.2.1SOFC-電池動力繫統172
6.2.2SOFC-熱機混合循環動力繫統172
6.3典型SOFC動力繫統模擬174
6.3.1零維BOP部件模型174
6.3.2SOFC模型179
6.3.3其他SOFC模型及繫統模擬185
6.4新型SOFC與應用188
6.4.1直接火焰燃料電池188
6.4.2直接氨燃料電池196
參考文獻201
第7章SOFC在航空動力領域的應用211
7.1飛行汽車等航空領域運載工具對動力的需求212
7.1.1飛行汽車簡介212
7.1.2飛行汽車運行特點及對動力的需求214
7.2固體氧化物燃料電池在航空動力的應用218
7.2.1NASA格林中心SOFC航空動力研究219
7.2.2高抗熱震性固體氧化物燃料電池研究222
7.2.3SOFC/GT航空動力繫統模擬研究 224
7.3固體氧化物燃料電池渦電動力227
7.3.1 SOFC渦電動力概述 227
7.3.2SOFC渦電動力熱力學模型 229
7.3.3SOFC渦電動力繫統參數敏感性分析與設計 232
7.4應用於航空動力的SOFC小結與展望236
7.4.1高壓力條件下穩定運行的SOFC電堆研發 236
7.4.2大功率高功率密度SOFC動力繫統研究237
7.4.3SOFC渦電動力熱管理研究238
參考文獻239
第8章燃料處理技術243
8.1燃料前處理技術244
8.1.1前處理技術介紹244
8.1.2不同燃料的前處理技術252
8.1.3積炭260
8.2尾氣後處理技術263
參考文獻265
第9章 SOFC動力繫統控制275
9.1安全運行區域276
9.2部分負荷和非設計工況運行280
9.3動態機理模型與負載跟隨284
9.3.1動態機理模型285
9.3.2負載跟隨286
9.4動態模型辨識289
9.5控制策略與控制器設計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半實物仿真310
參考文獻311

前言

固體氧化物燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell， SOFC）可在高溫下直接將燃料的化學能轉化為電能，是一種清潔、高效的發電技術，將在未來的能源、電力、運輸等國民經濟領域發揮重要作用。SOFC發電過程突破卡諾循環的限制，發電效率可達50%以上，同時其尾氣餘熱能級高，可進一步與燃氣輪機（Gas Turbine， GT）結合組成混合動力繫統，繫統發電效率可達80%以上，被公認為是最具潛力的動力發電技術之一。此外，SOFC高溫操作使其可以利用煤氣化合成氣、天然氣甚至汽油、柴油等作為燃料，在發電過程中避免高污染的燃燒環節，能夠實現污染物近零排放及CO2高濃度富集，是面向碳中和及動力繫統減排需求的變革性碳基燃料發電技術。
傳統SOFC的應用場合集中於大型電站等固定式應用領域，面向動力繫統的應用需求，SOFC繫統需重點突破啟動慢、繫統緊湊度低等瓶頸問題。本書針對SOFC在動力繫統應用中的難點與痛點，著重介紹了SOFC電池及電堆構型、多場管理、繫統集成、燃料處理等關鍵技術，為推動SOFC動力繫統研究與實際應用提供參考。第2 ~ 4章重點介紹了具有高抗熱震性的幾類SOFC構型的研發，分別針對金屬支撐SOFC（第2章）、管式SOFC（第3章）與微管式SOFC（第4章）的制備、組堆等關鍵技術進行介紹；第5章探討了管堆集成過程中的多物理場管控與檢測診斷技術；第6 ~ 9章依次介紹了與動力繫統集成相關的關鍵技術，包括動力繫統與應用（第6章）、燃料處理技術（第8章）、動力繫統控制（第9章）等，並以航空動力領域為例闡述了SOFC在典型動力繫統中的應用（第7章）。

固體氧化物燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell， SOFC）可在高溫下直接將燃料的化學能轉化為電能，是一種清潔、高效的發電技術，將在未來的能源、電力、運輸等國民經濟領域發揮重要作用。SOFC發電過程突破卡諾循環的限制，發電效率可達50%以上，同時其尾氣餘熱能級高，可進一步與燃氣輪機（Gas Turbine， GT）結合組成混合動力繫統，繫統發電效率可達80%以上，被公認為是最具潛力的動力發電技術之一。此外，SOFC高溫操作使其可以利用煤氣化合成氣、天然氣甚至汽油、柴油等作為燃料，在發電過程中避免高污染的燃燒環節，能夠實現污染物近零排放及CO2高濃度富集，是面向碳中和及動力繫統減排需求的變革性碳基燃料發電技術。
傳統SOFC的應用場合集中於大型電站等固定式應用領域，面向動力繫統的應用需求，SOFC繫統需重點突破啟動慢、繫統緊湊度低等瓶頸問題。本書針對SOFC在動力繫統應用中的難點與痛點，著重介紹了SOFC電池及電堆構型、多場管理、繫統集成、燃料處理等關鍵技術，為推動SOFC動力繫統研究與實際應用提供參考。第2 ~ 4章重點介紹了具有高抗熱震性的幾類SOFC構型的研發，分別針對金屬支撐SOFC（第2章）、管式SOFC（第3章）與微管式SOFC（第4章）的制備、組堆等關鍵技術進行介紹；第5章探討了管堆集成過程中的多物理場管控與檢測診斷技術；第6 ~ 9章依次介紹了與動力繫統集成相關的關鍵技術，包括動力繫統與應用（第6章）、燃料處理技術（第8章）、動力繫統控制（第9章）等，並以航空動力領域為例闡述了SOFC在典型動力繫統中的應用（第7章）。
由於SOFC及其動力繫統仍處於高速發展的階段，目前針對某些問題，研究者仍有不同的看法，同時近年來也湧現了很多新型材料體繫以及新型構型的SOFC，本書並不能詳盡介紹所有相關的問題及文獻，而著重於介紹高溫電化學動力發電領域的相關基礎知識、關鍵技術與前沿方向，讀者可針對具體研究問題參閱更多相關文獻。
本書作者均為從事SOFC領域相關研究多年的專家學者，在本書各章節對應技術研發中積累了深厚的學術研究與項目經驗。具體來說，第1章作者為清華大學史翊翔教授和蔡寧生教授，第2章作者為西安交通大學李成新教授，第3章作者為山東科技大學塗寶峰教授，第4章作者為廣東工業大學梁波副教授，第5章作者為清華大學博士研究生範峻華和北京理工大學王雨晴副教授，第6章作者為北京理工大學王雨晴副教授，第7章作者為清華大學張揚軍教授和曾澤智博士，第8章作者為清華大學史繼鑫博士和史翊翔教授，第9章作者為北京科技大學包成教授和東南大學孫立副研究員。在本書的校稿過程中，北京理工大學的研究生張瑞宇、李曉曉、王怡楠、李博坤以及清華大學的研究生谷鑫付出了寶貴的時間與精力，作者特此向他們致謝。本書部分研究成果受國家重點研發計劃課題（2021YFB4001404、2022YFB4002603）資助，特此致謝。
由於作者水平有限，書中難免存在一些謬誤，希望廣大讀者批評指正。

2023年1月於北京理工大學

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