《固體氧化物燃料電池能量轉化與儲存》是2019年08月01日科學出版社出版的圖書，作者是史翊翔、蔡寧生、王雨晴。
基本介紹
- 書名：固體氧化物燃料電池能量轉化與儲存
- 作者：史翊翔、蔡寧生、王雨晴
- ISBN：9787030619600
- 頁數：307
- 定價：168.00元
- 出版社：科學出版社
- 出版時間：2019年08月01日
- 裝幀：平裝
- 開本：B5
內容簡介,圖書目錄,
內容簡介
燃料電池技術是能夠實現能源清潔、高效利用的一類前沿關鍵技術，可望成為繼火電、水電、核電後的第四代發電技術，成為電力行業的主力軍之一。本書重點針對高溫固體氧化物燃料電池及其逆過程，介紹高溫電化學能量轉化與儲存技術的相關基礎知識，闡釋電化學科學與先進能源轉化裝置的關係。針對當前清潔能源發電及儲能等關鍵技術，深入剖析電化學反應體系熱力學理論、反應動力學理論及傳遞過程，分析電化學反應裝置的理論建模方法及實驗測試手段，研討固體氧化物燃料電池的特徵、結構，分析系統匹配與集成最佳化策略。
圖書目錄
前言
主要符號對照表
第1章 緒論 1
參考文獻 7
第2章 熱力學 8
2.1 引言 8
2.2 可逆性 8
2.3 燃料電池最大電功與效率極限 9
2.3.1 Gibbs自由能與最大電功 9
2.3.2 效率與效率極限 11
2.4 燃料電池的電動勢 15
2.4.1 Gibbs自由能與電動勢 15
2.4.2 非標準狀態電動勢 17
2.5 界面電勢差 25
2.5.1 雙電層 25
2.5.2 相間電勢 26
2.5.3 電化學勢 28
參考文獻 30
第3章 反應動力學 31
3.1 引言 31
3.2 質量作用定律 31
3.3 基元反應 33
3.4 化學反應速率理論 34
3.4.1 分子間碰撞 34
3.4.2 分子與固體表面碰撞 36
3.4.3 基於碰撞理論的反應速率表達式 38
3.5 非均相反應動力學 41
3.5.1 反應動力學表達式 41
3.5.2 通用表面動力學形式 48
3.5.3 黏附係數 50
3.6 電化學反應動力學 51
3.6.1 電化學反應動力學引言 51
3.6.2 活化能與反應速率 53
3.6.3 平衡狀態下的電極反應動力學 55
3.6.4 電勢與電化學反應速率的定量關聯 56
參考文獻 62
第4章 固體氧化物燃料電池 63
4.1 引言 63
4.2 SOFC的研發進展 64
4.3 SOFC工作原理 67
4.4 三相界面電化學氧化反應機理 69
4.4.1 H2電化學氧化反應機理 69
4.4.2 CO電化學氧化反應機理 75
4.5 碳氫燃料SOFC 77
4.5.1 碳氫燃料重整反應機理 77
4.5.2 碳氫燃料直接電化學氧化反應機理 83
4.6 積碳特性與反應機理 84
4.6.1 熱力學分析 84
4.6.2 積碳反應機理 85
4.6.3 抗積碳材料 86
4.7 H2S中毒及氧化 87
4.8 SOFC發電系統 89
4.8.1 SOFC簡單循環發電系統 89
4.8.2 SOFC-GT混合發電系統 91
4.9 本章小結 94
參考文獻 95
第5章 固體氧化物燃料電池模型 100
5.1 引言 100
5.2 SOFC模擬研究意義 100
5.3 SOFC模型類型 101
5.3.1 膜電極模型 101
5.3.2 電池單元及電堆模型 102
5.3.3 系統模型 103
5.4 紐扣電池模型 104
5.4.1 模擬計算域與模型假設 105
5.4.2 反應機理 106
5.4.3 控制方程 108
5.4.4 邊界條件設定 114
5.4.5 模型參數 114
5.4.6 模擬結果分析 115
5.5 SOFC電池單元與電堆模型 118
5.5.1 模型求解域 119
5.5.2 控制方程 120
5.5.3 邊界條件 122
5.5.4 模擬結果分析 123
5.6 發電系統模型 128
5.6.1 西門子-西屋公司SOFC-GT混合發電系統 129
5.6.2 準二維SOFC模型 130
5.6.3 GT模型 137
5.6.4 換熱器模型 137
5.6.5 重整器模型 138
5.6.6 燃燒器模型 140
5.6.7 模擬結果分析 140
5.7 本章小結 144
參考文獻 144
第6章 固體氧化物火焰燃料電池 148
6.1 引言 148
6.2 發展概況及工作原理 149
6.2.1 發展概況 149
6.2.2 工作原理 150
6.3 SOFC熱應力及抗熱震性 152
6.3.1 FFC熱應力分析模型 153
6.3.2 FFC啟動中熱應力及抗熱震性 156
6.3.3 FFC運行中熱應力 157
6.4 燃燒器富燃重整特性 160
6.4.1 自由空間富燃燃燒 160
6.4.2 多孔介質富燃燃燒 161
6.5 富燃火焰與燃料電池的耦合匹配特性 164
6.5.1 FFC基礎性能 164
6.5.2 FFC電池單元構型 169
6.5.3 SOFC與富燃火焰耦合作用機制 171
6.6 FFC熱電聯供系統 172
6.6.1 基於FFC的微型冷熱電聯供系統模型 173
6.6.2 富燃當量比對系統性能的影響 175
6.6.3 燃料利用率對系統性能的影響 177
6.6.4 不同系統構型比較 178
6.7 挑戰與展望 178
參考文獻 179
第7章 固體氧化物直接碳燃料電池 182
7.1 引言 182
7.2 DCFC熱力學分析 184
7.2.1 DCFC的開路電壓 184
7.2.2 DCFC的理論效率 185
7.2.3 DCFC實際效率分析 185
7.3 SO-DCFC結構及分類 186
7.3.1 多孔固體陽極SO-DCFC 186
7.3.2 熔融碳酸鹽陽極SO-DCFC 188
7.3.3 液態金屬陽極SO-DCFC 191
7.4 多孔固體陽極SO-DCFC 193
7.4.1 CO反應傳遞影響 194
7.4.2 水蒸氣氣化的影響 195
7.4.3 催化氣化反應的影響 196
7.4.4 碳間接反應的影響 198
7.5 熔融碳酸鹽陽極SO-DCFC 200
7.5.1 熔融碳酸鹽浸潤特性的影響 200
7.5.2 熔融碳酸鹽陽極反應機理 203
7.6 液態金屬陽極SO-DCFC 207
7.6.1 金屬氧化物對液態金屬陽極的影響 207
7.6.2 液態金屬陽極中的碳轉化機理 210
7.7 DCFC電堆及系統 215
7.8 挑戰與展望 218
7.8.1 DCFC的技術挑戰 218
7.8.2 展望 221
參考文獻 222
第8章 固體氧化物電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 三相界面的電化學反應機理 237
8.3.1 H2O/H2電化學轉化 238
8.3.2 CO2/CO電化學轉化 241
8.4 多孔電極中多相催化與電化學反應耦合 245
8.4.1 基本電化學性能 245
8.4.2 燃料極空間積碳特性 247
8.4.3 共電解H2O/CO2直接合成甲烷機理 247
8.4.4 介尺度多孔電極基元反應模型 249
8.4.5 多孔燃料極的化學/電化學反應分區 254
8.4.6 電極反應與傳遞過程耦合 257
8.4.7 輔助電解降低電耗 258
8.5 管式單元產物定向調控和動態特性 263
8.5.1 管式SOEC單元共電解H2O/CO2電化學性能 264
8.5.2 管式SOEC共電解H2O/CO2甲烷生成特性 264
8.5.3 多物理場耦合的管式SOEC熱電模型 265
8.5.4 管式SOEC的熱效應 268
8.5.5 管式SOEC甲烷合成定向調控 268
8.5.6 管式SOEC動態特性 271
8.6 可再生能源電制氣分散式儲能系統能效與穩定性 272
8.6.1 SOEC可逆化操作實現多能源轉化 273
8.6.2 SOEC電解合成甲烷子系統分析 274
8.6.3 風電融入下的可逆SOEC儲能系統穩定性分析 275
8.7 挑戰與展望 278
參考文獻 279
第9章 固體氧化物電池實驗測試技術及分析方法 285
9.1 引言 285
9.2 穩態測試技術 286
9.2.1 電化學基礎變數：電壓、電流和時間 286
9.2.2 極化曲線 287
9.3 瞬態測試技術 288
9.3.1 EIS測試技術 288
9.3.2 基於機理模型的解譜技術 290
9.4 電化學反應體系的原位測試與分析 294
9.4.1 拉曼光譜原理 295
9.4.2 高溫原位拉曼光譜在SOC反應體系的套用 297
9.5 基於圖案電極的測試技術與反應機理解析 302
參考文獻 305
主要符號對照表
第1章 緒論 1
參考文獻 7
第2章 熱力學 8
2.1 引言 8
2.2 可逆性 8
2.3 燃料電池最大電功與效率極限 9
2.3.1 Gibbs自由能與最大電功 9
2.3.2 效率與效率極限 11
2.4 燃料電池的電動勢 15
2.4.1 Gibbs自由能與電動勢 15
2.4.2 非標準狀態電動勢 17
2.5 界面電勢差 25
2.5.1 雙電層 25
2.5.2 相間電勢 26
2.5.3 電化學勢 28
參考文獻 30
第3章 反應動力學 31
3.1 引言 31
3.2 質量作用定律 31
3.3 基元反應 33
3.4 化學反應速率理論 34
3.4.1 分子間碰撞 34
3.4.2 分子與固體表面碰撞 36
3.4.3 基於碰撞理論的反應速率表達式 38
3.5 非均相反應動力學 41
3.5.1 反應動力學表達式 41
3.5.2 通用表面動力學形式 48
3.5.3 黏附係數 50
3.6 電化學反應動力學 51
3.6.1 電化學反應動力學引言 51
3.6.2 活化能與反應速率 53
3.6.3 平衡狀態下的電極反應動力學 55
3.6.4 電勢與電化學反應速率的定量關聯 56
參考文獻 62
第4章 固體氧化物燃料電池 63
4.1 引言 63
4.2 SOFC的研發進展 64
4.3 SOFC工作原理 67
4.4 三相界面電化學氧化反應機理 69
4.4.1 H2電化學氧化反應機理 69
4.4.2 CO電化學氧化反應機理 75
4.5 碳氫燃料SOFC 77
4.5.1 碳氫燃料重整反應機理 77
4.5.2 碳氫燃料直接電化學氧化反應機理 83
4.6 積碳特性與反應機理 84
4.6.1 熱力學分析 84
4.6.2 積碳反應機理 85
4.6.3 抗積碳材料 86
4.7 H2S中毒及氧化 87
4.8 SOFC發電系統 89
4.8.1 SOFC簡單循環發電系統 89
4.8.2 SOFC-GT混合發電系統 91
4.9 本章小結 94
參考文獻 95
第5章 固體氧化物燃料電池模型 100
5.1 引言 100
5.2 SOFC模擬研究意義 100
5.3 SOFC模型類型 101
5.3.1 膜電極模型 101
5.3.2 電池單元及電堆模型 102
5.3.3 系統模型 103
5.4 紐扣電池模型 104
5.4.1 模擬計算域與模型假設 105
5.4.2 反應機理 106
5.4.3 控制方程 108
5.4.4 邊界條件設定 114
5.4.5 模型參數 114
5.4.6 模擬結果分析 115
5.5 SOFC電池單元與電堆模型 118
5.5.1 模型求解域 119
5.5.2 控制方程 120
5.5.3 邊界條件 122
5.5.4 模擬結果分析 123
5.6 發電系統模型 128
5.6.1 西門子-西屋公司SOFC-GT混合發電系統 129
5.6.2 準二維SOFC模型 130
5.6.3 GT模型 137
5.6.4 換熱器模型 137
5.6.5 重整器模型 138
5.6.6 燃燒器模型 140
5.6.7 模擬結果分析 140
5.7 本章小結 144
參考文獻 144
第6章 固體氧化物火焰燃料電池 148
6.1 引言 148
6.2 發展概況及工作原理 149
6.2.1 發展概況 149
6.2.2 工作原理 150
6.3 SOFC熱應力及抗熱震性 152
6.3.1 FFC熱應力分析模型 153
6.3.2 FFC啟動中熱應力及抗熱震性 156
6.3.3 FFC運行中熱應力 157
6.4 燃燒器富燃重整特性 160
6.4.1 自由空間富燃燃燒 160
6.4.2 多孔介質富燃燃燒 161
6.5 富燃火焰與燃料電池的耦合匹配特性 164
6.5.1 FFC基礎性能 164
6.5.2 FFC電池單元構型 169
6.5.3 SOFC與富燃火焰耦合作用機制 171
6.6 FFC熱電聯供系統 172
6.6.1 基於FFC的微型冷熱電聯供系統模型 173
6.6.2 富燃當量比對系統性能的影響 175
6.6.3 燃料利用率對系統性能的影響 177
6.6.4 不同系統構型比較 178
6.7 挑戰與展望 178
參考文獻 179
第7章 固體氧化物直接碳燃料電池 182
7.1 引言 182
7.2 DCFC熱力學分析 184
7.2.1 DCFC的開路電壓 184
7.2.2 DCFC的理論效率 185
7.2.3 DCFC實際效率分析 185
7.3 SO-DCFC結構及分類 186
7.3.1 多孔固體陽極SO-DCFC 186
7.3.2 熔融碳酸鹽陽極SO-DCFC 188
7.3.3 液態金屬陽極SO-DCFC 191
7.4 多孔固體陽極SO-DCFC 193
7.4.1 CO反應傳遞影響 194
7.4.2 水蒸氣氣化的影響 195
7.4.3 催化氣化反應的影響 196
7.4.4 碳間接反應的影響 198
7.5 熔融碳酸鹽陽極SO-DCFC 200
7.5.1 熔融碳酸鹽浸潤特性的影響 200
7.5.2 熔融碳酸鹽陽極反應機理 203
7.6 液態金屬陽極SO-DCFC 207
7.6.1 金屬氧化物對液態金屬陽極的影響 207
7.6.2 液態金屬陽極中的碳轉化機理 210
7.7 DCFC電堆及系統 215
7.8 挑戰與展望 218
7.8.1 DCFC的技術挑戰 218
7.8.2 展望 221
參考文獻 222
第8章 固體氧化物電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 三相界面的電化學反應機理 237
8.3.1 H2O/H2電化學轉化 238
8.3.2 CO2/CO電化學轉化 241
8.4 多孔電極中多相催化與電化學反應耦合 245
8.4.1 基本電化學性能 245
8.4.2 燃料極空間積碳特性 247
8.4.3 共電解H2O/CO2直接合成甲烷機理 247
8.4.4 介尺度多孔電極基元反應模型 249
8.4.5 多孔燃料極的化學/電化學反應分區 254
8.4.6 電極反應與傳遞過程耦合 257
8.4.7 輔助電解降低電耗 258
8.5 管式單元產物定向調控和動態特性 263
8.5.1 管式SOEC單元共電解H2O/CO2電化學性能 264
8.5.2 管式SOEC共電解H2O/CO2甲烷生成特性 264
8.5.3 多物理場耦合的管式SOEC熱電模型 265
8.5.4 管式SOEC的熱效應 268
8.5.5 管式SOEC甲烷合成定向調控 268
8.5.6 管式SOEC動態特性 271
8.6 可再生能源電制氣分散式儲能系統能效與穩定性 272
8.6.1 SOEC可逆化操作實現多能源轉化 273
8.6.2 SOEC電解合成甲烷子系統分析 274
8.6.3 風電融入下的可逆SOEC儲能系統穩定性分析 275
8.7 挑戰與展望 278
參考文獻 279
第9章 固體氧化物電池實驗測試技術及分析方法 285
9.1 引言 285
9.2 穩態測試技術 286
9.2.1 電化學基礎變數：電壓、電流和時間 286
9.2.2 極化曲線 287
9.3 瞬態測試技術 288
9.3.1 EIS測試技術 288
9.3.2 基於機理模型的解譜技術 290
9.4 電化學反應體系的原位測試與分析 294
9.4.1 拉曼光譜原理 295
9.4.2 高溫原位拉曼光譜在SOC反應體系的套用 297
9.5 基於圖案電極的測試技術與反應機理解析 302
參考文獻 305
