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本書針對SOFC及其動(dòng)力系統(tǒng)，介紹了高溫電化學(xué)動(dòng)力發(fā)電領(lǐng)域的相關(guān)基礎(chǔ)知識、關(guān)鍵技術(shù)與前沿方向。具體來說，本書首先介紹了面向動(dòng)態(tài)負(fù)荷的SOFC電池及電堆技術(shù)，如金屬支撐SOFC、管式SOFC、微管式SOFC（第2～4章主要內(nèi)容）；隨后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(shù)（第5章主要內(nèi)容）；最后闡述了面向系統(tǒng)集成的燃料處理、集成控制、應(yīng)用技術(shù)等（第6、8、9章主要內(nèi)容），此外，本書還以航空動(dòng)力領(lǐng)域?yàn)槔U述了SOFC在典型動(dòng)力系統(tǒng)中的應(yīng)用（第7章主要內(nèi)容）。
本書主要面向高等院校、研究機(jī)構(gòu)以及相關(guān)企業(yè)從事固體氧化物燃料電池研究與應(yīng)用工作的讀者。本書既可以作為能源動(dòng)力相關(guān)專業(yè)的研究生教材，也可作為固體氧化物燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)研發(fā)的參考書籍。

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(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，是一種清潔、高效的發(fā)電技術(shù)，將在未來的能源、電力、運(yùn)輸?shù)葒窠?jīng)濟(jì)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。SOFC發(fā)電過程突破卡諾循環(huán)的限制，發(fā)電效率可達(dá)50%以上，同時(shí)其尾氣余熱能級高，可進(jìn)一步與燃?xì)廨啓C(jī)（Gas Turbine， GT）結(jié)合組成混合動(dòng)力系統(tǒng)，系統(tǒng)發(fā)電效率可達(dá)80%以上，被公認(rèn)為是最具潛力的動(dòng)力發(fā)電技術(shù)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(fā)電過程中避免高污染的燃燒環(huán)節(jié)，能夠?qū)崿F(xiàn)污染物近零排放及CO2高濃度富集，是面向碳中和及動(dòng)力系統(tǒng)減排需求的變革性碳基燃料發(fā)電技術(shù)。
傳統(tǒng)SOFC的應(yīng)用場合集中于大型電站等固定式應(yīng)用領(lǐng)域，面向動(dòng)力系統(tǒng)的應(yīng)用需求，SOFC系統(tǒng)需重點(diǎn)突破啟動(dòng)慢、系統(tǒng)緊湊度低等瓶頸問題。本書針對SOFC在動(dòng)力系統(tǒng)應(yīng)用中的難點(diǎn)與痛點(diǎn)，著重介紹了SOFC電池及電堆構(gòu)型、多場管理、系統(tǒng)集成、燃料處理等關(guān)鍵技術(shù)，為推動(dòng)SOFC動(dòng)力系統(tǒng)研究與實(shí)際應(yīng)用提供參考。第2 ~ 4章重點(diǎn)介紹了具有高抗熱震性的幾類SOFC構(gòu)型的研發(fā)，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(guān)鍵技術(shù)進(jìn)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(shù)；第6 ~ 9章依次介紹了與動(dòng)力系統(tǒng)集成相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)，包括動(dòng)力系統(tǒng)與應(yīng)用（第6章）、燃料處理技術(shù)（第8章）、動(dòng)力系統(tǒng)控制（第9章）等，并以航空動(dòng)力領(lǐng)域?yàn)槔U述了SOFC在典型動(dòng)力系統(tǒng)中的應(yīng)用（第7章）。
由于SOFC及其動(dòng)力系統(tǒng)仍處于高速發(fā)展的階段，目前針對某些問題，研究者仍有不同的看法，同時(shí)近年來也涌現(xiàn)了很多新型材料體系以及新型構(gòu)型的SOFC，本書并不能詳盡介紹所有相關(guān)的問題及文獻(xiàn)，而著重于介紹高溫電化學(xué)動(dòng)力發(fā)電領(lǐng)域的相關(guān)基礎(chǔ)知識、關(guān)鍵技術(shù)與前沿方向，讀者可針對具體研究問題參閱更多相關(guān)文獻(xiàn)。
本書作者均為從事SOFC領(lǐng)域相關(guān)研究多年的專家學(xué)者，在本書各章節(jié)對應(yīng)技術(shù)研發(fā)中積累了深厚的學(xué)術(shù)研究與項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)。具體來說，第1章作者為清華大學(xué)史翊翔教授和蔡寧生教授，第2章作者為西安交通大學(xué)李成新教授，第3章作者為山東科技大學(xué)涂寶峰教授，第4章作者為廣東工業(yè)大學(xué)梁波副教授，第5章作者為清華大學(xué)博士研究生范峻華和北京理工大學(xué)王雨晴副教授，第6章作者為北京理工大學(xué)王雨晴副教授，第7章作者為清華大學(xué)張揚(yáng)軍教授和曾澤智博士，第8章作者為清華大學(xué)史繼鑫博士和史翊翔教授，第9章作者為北京科技大學(xué)包成教授和東南大學(xué)孫立副研究員。在本書的校稿過程中，北京理工大學(xué)的研究生張瑞宇、李曉曉、王怡楠、李博坤以及清華大學(xué)的研究生谷鑫付出了寶貴的時(shí)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(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題（2021YFB4001404、2022YFB4002603）資助，特此致謝。
由于作者水平有限，書中難免存在一些謬誤，希望廣大讀者批評指正。

2023年1月于北京理工大學(xué)

叢書編委會(huì)
叢書序
序
前?言
第1章　緒論001
1.1　SOFC工作原理002
1.2　SOFC應(yīng)用領(lǐng)域與發(fā)展現(xiàn)狀004
1.3　SOFC動(dòng)力系統(tǒng)挑戰(zhàn)005
參考文獻(xiàn)006
第2章　金屬支撐SOFC007
2.1　概述008
2.1.1　結(jié)構(gòu)及技術(shù)特點(diǎn)008
2.1.2　技術(shù)現(xiàn)狀009
2.2　金屬材料及其防護(hù)技術(shù)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(zhì)制備方法025
2.3.1　低溫?zé)Y(jié)制備技術(shù)026
2.3.2　涂層制備技術(shù)030
2.4　電堆集成及應(yīng)用048
2.4.1　典型金屬支撐電堆集成關(guān)鍵技術(shù)048
2.4.2　電堆集成現(xiàn)狀052
參考文獻(xiàn)056
第3章　管式SOFC063
3.1　發(fā)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組堆與系統(tǒng)集成技術(shù)075
3.3.1　組堆技術(shù)075
3.3.2　系統(tǒng)集成技術(shù)079
3.4　穩(wěn)/動(dòng)態(tài)特性084
3.4.1　管式SOFC單元參數(shù)分布特性 084
3.4.2　管式SOFC發(fā)電特征 086
3.4.3　管式SOFC發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)/動(dòng)態(tài)特性 089
3.5　動(dòng)力系統(tǒng)中的典型應(yīng)用091
參考文獻(xiàn)092
第4章　微管式SOFC095
4.1　發(fā)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(zhì)膜制備099
4.2.3　燒結(jié)特性100
4.3　批量化生產(chǎn)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(jié)105
4.4　組堆技術(shù)107
4.4.1　密封解決方案107
4.4.2　集流設(shè)計(jì)及實(shí)施111
4.4.3　尾氣催化處理114
4.5　穩(wěn)態(tài)/動(dòng)態(tài)性能116
4.5.1　啟動(dòng)時(shí)間和冷熱循環(huán)116
4.5.2　穩(wěn)態(tài)-動(dòng)態(tài)性能118
4.6　移動(dòng)便攜系統(tǒng)中的典型應(yīng)用121
參考文獻(xiàn)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(shù)130
5.1.1　電極反應(yīng)機(jī)理模型130
5.1.2　電池單元模擬137
5.1.3　電堆模擬151
5.2　電堆熱管理156
5.2.1　電堆產(chǎn)熱與散熱機(jī)制157
5.2.2　電堆熱管理技術(shù)157
5.3　性能檢測與故障診斷技術(shù)160
參考文獻(xiàn)164
第6章　SOFC動(dòng)力系統(tǒng)與應(yīng)用167
6.1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)168
6.1.1　燃料供給與處理子系統(tǒng)169
6.1.2　發(fā)電子系統(tǒng)169
6.1.3　熱管理子系統(tǒng)169
6.1.4　電力調(diào)控子系統(tǒng)171
6.2　典型系統(tǒng)設(shè)計(jì)與集成171
6.2.1　SOFC-電池動(dòng)力系統(tǒng)172
6.2.2　SOFC-熱機(jī)混合循環(huán)動(dòng)力系統(tǒng)172
6.3　典型SOFC動(dòng)力系統(tǒng)模擬174
6.3.1　零維BOP部件模型174
6.3.2　SOFC模型179
6.3.3　其他SOFC模型及系統(tǒng)模擬185
6.4　新型SOFC與應(yīng)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(xiàn)201
第7章　SOFC在航空動(dòng)力領(lǐng)域的應(yīng)用211
7.1　飛行汽車等航空領(lǐng)域運(yùn)載工具對動(dòng)力的需求212
7.1.1　飛行汽車簡介212
7.1.2　飛行汽車運(yùn)行特點(diǎn)及對動(dòng)力的需求214
7.2　固體氧化物燃料電池在航空動(dòng)力的應(yīng)用218
7.2.1　NASA格林中心SOFC航空動(dòng)力研究219
7.2.2　高抗熱震性固體氧化物燃料電池研究222
7.2.3　SOFC/GT航空動(dòng)力系統(tǒng)模擬研究 224
7.3　固體氧化物燃料電池渦電動(dòng)力227
7.3.1　 SOFC渦電動(dòng)力概述 227
7.3.2　SOFC渦電動(dòng)力熱力學(xué)模型 229
7.3.3　SOFC渦電動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)敏感性分析與設(shè)計(jì) 232
7.4　應(yīng)用于航空動(dòng)力的SOFC小結(jié)與展望236
7.4.1　高壓力條件下穩(wěn)定運(yùn)行的SOFC電堆研發(fā) 236
7.4.2　大功率高功率密度SOFC動(dòng)力系統(tǒng)研究237
7.4.3　SOFC渦電動(dòng)力熱管理研究238
參考文獻(xiàn)239
第8章　燃料處理技術(shù)243
8.1　燃料前處理技術(shù)244
8.1.1　前處理技術(shù)介紹244
8.1.2　不同燃料的前處理技術(shù)252
8.1.3　積炭260
8.2　尾氣后處理技術(shù)263
參考文獻(xiàn)265
第9章　SOFC動(dòng)力系統(tǒng)控制275
9.1　安全運(yùn)行區(qū)域276
9.2　部分負(fù)荷和非設(shè)計(jì)工況運(yùn)行280
9.3　動(dòng)態(tài)機(jī)理模型與負(fù)載跟隨284
9.3.1　動(dòng)態(tài)機(jī)理模型285
9.3.2　負(fù)載跟隨286
9.4　動(dòng)態(tài)模型辨識289
9.5　控制策略與控制器設(shè)計(jì)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(shí)物仿真310
參考文獻(xiàn)311

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