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本書針對SOFC及其動力系統(tǒng)，介紹了高溫電化學動力發(fā)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(tài)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(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（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、應用技術等（第6、8、9章主要內(nèi)容），此外，本書還以航空動力領域為例闡述了SOFC在典型動力系統(tǒng)中的應用（第7章主要內(nèi)容）。
本書主要面向高等院校、研究機構以及相關企業(yè)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(yè)的研究生教材，也可作為固體氧化物燃料電池動力系統(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能轉化為電能，是一種清潔、高效的發(fā)電技術，將在未來的能源、電力、運輸?shù)葒窠?jīng)濟領域發(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50%以上，同時其尾氣余熱能級高，可進一步與燃氣輪機（Gas Turbine， GT）結合組成混合動力系統(tǒng)，系統(tǒng)發(fā)電效率可達80%以上，被公認為是最具潛力的動力發(fā)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(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，是面向碳中和及動力系統(tǒng)減排需求的變革性碳基燃料發(fā)電技術。
傳統(tǒng)SOFC的應用場合集中于大型電站等固定式應用領域，面向動力系統(tǒng)的應用需求，SOFC系統(tǒng)需重點突破啟動慢、系統(tǒng)緊湊度低等瓶頸問題。本書針對SOFC在動力系統(tǒng)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、系統(tǒng)集成、燃料處理等關鍵技術，為推動SOFC動力系統(tǒng)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(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系統(tǒng)集成相關的關鍵技術，包括動力系統(tǒng)與應用（第6章）、燃料處理技術（第8章）、動力系統(tǒng)控制（第9章）等，并以航空動力領域為例闡述了SOFC在典型動力系統(tǒng)中的應用（第7章）。
由于SOFC及其動力系統(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，同時近年來也涌現(xiàn)了很多新型材料體系以及新型構型的SOFC，本書并不能詳盡介紹所有相關的問題及文獻，而著重于介紹高溫電化學動力發(fā)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(jié)對應技術研發(fā)中積累了深厚的學術研究與項目經(jīng)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涂寶峰教授，第4章作者為廣東工業(yè)大學梁波副教授，第5章作者為清華大學博士研究生范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(fā)計劃課題（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

叢書編委會
叢書序
序
前?言
第1章　緒論001
1.1　SOFC工作原理002
1.2　SOFC應用領域與發(fā)展現(xiàn)狀004
1.3　SOFC動力系統(tǒng)挑戰(zhàn)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(xiàn)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(zhì)制備方法025
2.3.1　低溫燒結制備技術026
2.3.2　涂層制備技術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(xiàn)狀052
參考文獻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075
3.3.1　組堆技術075
3.3.2　系統(tǒng)集成技術079
3.4　穩(wěn)/動態(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)/動態(tài)特性 089
3.5　動力系統(tǒng)中的典型應用091
參考文獻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(wěn)態(tài)/動態(tài)性能116
4.5.1　啟動時間和冷熱循環(huán)116
4.5.2　穩(wěn)態(tài)-動態(tài)性能118
4.6　移動便攜系統(tǒng)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　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動力系統(tǒng)與應用167
6.1　系統(tǒng)結構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)設計與集成171
6.2.1　SOFC-電池動力系統(tǒng)172
6.2.2　SOFC-熱機混合循環(huán)動力系統(tǒng)172
6.3　典型SOFC動力系統(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
7.2.1　NASA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
7.2.3　SOFC/GT航空動力系統(tǒng)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
7.3.2　SOFC渦電動力熱力學模型 229
7.3.3　SOFC渦電動力系統(tǒng)參數(shù)敏感性分析與設計 232
7.4　應用于航空動力的SOFC小結與展望236
7.4.1　高壓力條件下穩(wěn)定運行的SOFC電堆研發(fā) 236
7.4.2　大功率高功率密度SOFC動力系統(tǒng)研究237
7.4.3　SOFC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　尾氣后處理技術263
參考文獻265
第9章　SOFC動力系統(tǒng)控制275
9.1　安全運行區(qū)域276
9.2　部分負荷和非設計工況運行280
9.3　動態(tài)機理模型與負載跟隨284
9.3.1　動態(tài)機理模型285
9.3.2　負載跟隨286
9.4　動態(tài)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

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