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| 內容簡介： |
《固体氧化物燃料电池数值建模与仿真技术》基于作者近15年来在燃料电池跨尺度多场耦合工程仿真技术方面的研究工作梳理汇编而成。主要包括：针对不同多孔复合电极类型（包含电子传导材质、氧离子传导材质、质子传导材质及混合导电材质）发展的系统逾渗理论模型和主要研究结论；针对各种类型纽扣电池建立的动-质-电化学-电子离子耦合模型和主要研究结论；针对各种不同平板和管式模块化电堆三维大尺度多物理场耦合模型的建立方法，系统研究了关键结构参数对电堆内部物理场分布质量的影响规律，并基于此开发了多种优化的新型电堆设计方案。
本书可供燃料电池研究人员、技术人员，COMSOL和Ansys软件应用人员参考，也可供能源动力专业、新能源专业的师生参考使用。
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| 目錄：
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第1章绪论001
1.1发电技术简介001
1.1.1半导体pn结光伏发电001
1.1.2切割磁力线发电002
1.1.3电化学发电004
1.2固体氧化物燃料电池005
1.2.1电池单元结构及工作005
1.2.2电池堆结构组成及工作006
1.3SOFC模拟仿真的重要性007
1.3.1复合电极微结构模拟007
1.3.2电堆大尺度多场耦合模拟008
参考文献011
第2章结构对电堆内部空气分布特征的影响规律014
2.1结构与电池层间空气分布特征015
2.2网格及独立性验证017
2.3流体动力学分析018
2.4影响电堆内空气分布的主要因素020
2.4.1不同出入口主管道形貌的空气分配特征对比020
2.4.2电池层间空气分配的决定参数022
2.4.3入口截面大于等于出口截面的空气分配规律023
2.4.4出入口截面比例增加对空气分配的影响024
2.4.5出入口主管道截面积的影响025
2.4.6电池单元出入口头部宽度的影响025
2.4.7电堆规模（电池单元数）的影响025
2.4.8不同rib流道流动阻力的影响027
2.4.9不同出入口主管道与壁面间距的影响028
参考文献029
第3章具有主管穿透电池区域及流道开口特征的SOFC电堆032
3.1电堆结构设计特征及相关理论034
3.1.1电堆设计结构034
3.1.2流体质量和动量守恒035
3.1.3流体组分守恒035
3.1.4电堆内部能量守恒036
3.1.5三维模型的边界条件036
3.2对应电堆内部的多物理场分布特征037
3.2.1电堆内部流动分布规律037
3.2.2数值模型的网格独立性验证037
3.2.3流体动力学分析039
3.2.4静压分布特性040
3.2.5电堆尺度的影响040
3.2.6单元电池表面的流动和温度041
3.2.7电堆单元内部的组分分布043
参考文献044
第4章10层模块化电池堆的歧管几何优化047
4.1电堆歧管几何优化简介047
4.2模块化电堆结构049
4.3燃料空气对流管理模式050
4.4电堆流道的三维CFD建模051
4.5出入口歧管位置的影响052
4.6出入口歧管半径优化054
4.7不同出入口歧管配置组合分析055
参考文献056
第5章矩形和离散圆柱形肋道对电堆内物质分布的影响059
5.1不同肋条形貌对电堆工作性能的影响059
5.2电堆结构特征和理论基础060
5.3电堆内部的多物理场分布质量064
5.3.1传统矩形肋道的应用064
5.3.2离散圆柱肋道的应用067
5.3.3离散错列肋道的应用071
5.3.4阴极结构电化学反应热量和物质输送的影响072
参考文献077
第6章管式电池堆的外部空气流道设计080
6.1管式电堆外空气流道设计介绍080
6.2外部气流路径结构及其数学模型082
6.3对应电堆内部的多物理场分布特征084
6.3.1一进口一出口电堆外空气流道084
6.3.2两进口两出口电堆外空气流道085
6.3.3改进的电堆外空气流道087
参考文献092
第7章传统SOFC复合电极的微结构理论模型095
7.1复合介质微结构理论简介095
7.2复合电极微结构和配位数关系096
7.2.1配位数理论基本概念096
7.2.2Bouvard逾渗理论模型098
7.2.3Suzuki逾渗理论模型099
7.2.4改进的逾渗理论模型101
7.3两组分复合电极逾渗模型102
7.3.1宏观电极有效性质与配位数关系102
7.3.2复合电极性质无量纲化计算107
7.4多组分复合电极逾渗模型111
7.4.1电极有效性质与配位数关系111
7.4.2复合电极性质无量纲化计算112
7.5针对颗粒尺寸分布的逾渗模型115
7.5.1某材料相颗粒尺寸正态分布表征115
7.5.2复合有效性质与微观参数关系116
7.5.3逾渗模型的有效性验证118
7.6其他针对微观电极的解析模型119
7.6.1方格网络随机分布模型119
7.6.2薄膜模型119
参考文献120
第8章采用电子氧离子混合导电材料的复合电极逾渗模型123
8.1电子氧离子混合导电电极123
8.2LSCF+YSZYSZNi+YSZ电池单元示意124
8.3复合电极逾渗理论125
8.3.1配位数理论125
8.3.2二组分复合电极126
8.3.3具有颗粒尺寸分布的LSCF+YSZ电极131
8.4微观参数对混合电导电极性质的影响133
8.4.1微观参数对LSCF-YSZ-气孔逾渗三相线的影响133
8.4.2微观参数对LSCF-气孔逾渗两相界面的影响135
8.4.3微观参数对电极混合导电特性的影响136
8.4.4微观参数对物质传输特性的影响138
参考文献139
第9章具有H+e-O2-混合导电特性的H+-SOFC电极逾渗理论141
9.1H+e-O2-混合导电电极141
9.2相关理论模型142
9.2.1LSCF-BZCY-SDC复合阴极微观结构和工作过程143
9.2.2一般性逾渗理论的发展144
9.2.3材料的本征电导率148
9.3微观材料参数对电极性质的影响148
9.3.1组分体积分数的逾渗阈值149
9.3.2氧还原反应的潜在电化学反应位点149
9.3.3水蒸气生成反应的潜在电化学反应位点151
9.3.4电子氧离子质子导电性质153
9.3.5气体输送特性154
参考文献156
第10章采用混合导电材料的SOFC纽扣电池多物理场建模分析159
10.1SOFC纽扣电池159
10.2电池工作理论基础161
10.2.1潜在的电化学活性位161
10.2.2电池内部导电过程等效电路162
10.2.3实际电化学活性位164
10.2.4局部电化学平衡过程的数学描述164
10.2.5活化过电势与电边界设置间的约束关系166
10.2.6混合导电型SOFC多物理场模型167
10.2.7IT-SOFC复合电极逾渗微观模型170
10.3纽扣电池跨尺度多场耦合模型的有效性验证172
10.4纯LSCF和LSCF-SDC复合阴极对电池性能的影响174
10.5实际电化学活化区域厚度175
10.6致密电解质的漏电影响177
10.7不同LSCF负载对电极和电池性能的影响179
参考文献181
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| 內容試閱：
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21世纪，能源技术研究既面临挑战，同时也蕴含着极大契机。固体氧化物燃料电池作为一种典型的电化学发电设备，由于其高转化效率、低排放、燃料灵活、材料成本低廉等优点而备受国际上大部分能源研究所和工业团体的关注，成为多数未来能源系统的一个重要组成部分。如欧盟、日本和俄罗斯的小型热电系统发展战略，以及美国的低碳煤气化设备和氢能源战略等。
近年来人们对固体氧化物燃料电池（SOFC）材料和电池制作工艺广泛关注，燃料电池核心组件电极经历了从原理性的单相电极、多孔电极、复合（及梯度）电极到骨架电极的发展，各种不同的材料组分和制作工艺也不断被开发使用。不同的材料处理和电极制作工艺将导致不同的电极微结构特征，进而影响电极宏观性质，因此发展关联微观材料参数-微结构特征-电极有效性质的知识体系具有重要意义。
有别于电池单元，SOFC电堆是一个复杂的动-热-质-电子离子导电-电化学耦合工作工程且具有尺度大、部件小的特点。SOFC电堆实物制作具有昂贵、工序复杂、耗时、热循环易损坏等特点。其高工作温度及流道空间小的特点，决定了很难对电堆内部的流动分布、浓度、温度、电流密度、电化学反应、局部漏气和应力分布进行实验监控和测量。因此想通过实验尝试全面细致地探索各种结构参数和工况对性能的影响有较大难度。发展三维大尺度多场耦合电堆工程仿真技术，研究关键结构参数对核心物理量的调控作用，形成优化设计方案，最终形成SOFC电堆工程设计理论体系具有重要意义。
本书基于作者近15年来在燃料电池跨尺度多场耦合工程仿真技术方面的研究工作，共分10章针对SOFC复合电极逾渗理论、纽扣电池数值建模分析、电堆三维大尺度多场耦合建模分析技术三方面进行了系统介绍。
第1章在介绍发电技术的基础上，介绍了固体氧化物燃料电池发电技术的优点，电池单元结构、电池堆结构组成；最后介绍发展复合电极微结构理论和电池堆大尺度多场耦合技术的重要性。
第2章介绍了多种不同电堆内部空气流道的三维大尺度多物理场建模技术，探讨不依赖具体电堆设计的结构与空气分配特征的一般性规律，筛选影响电堆内部流动分布的关键结构参数。
第3章针对具有“将燃料空气歧管放置在（并穿透）电池平面区域并采用开放式出口歧管”两种结构特征的18层SOFC电堆，建立了完整的三维大尺度多物理场电堆模型，计算分析了主要物理场的一般分布规律。
第4章系统介绍了采用由10～30个电池单元组成的平板型模块化SOFC电堆构建高输出功率系统的诸多优点。并针对具有对流特征的10层电池模块化电堆进歧管布置组合、入出口歧管位置和半径等几何参数进行优化分析。
第5章通过对不同肋道类型的SOFC电堆的三维大尺度建模，系统分析了矩形、离散对称圆柱形和交错圆柱形肋道流道对电堆阴极、阳极及整个电堆工作性能的影响，并得出优化的阴极、阳极侧肋条流道构型组合结论。
第6章开发设计了一种新型的用于阳极支撑型T-SOFC电堆的外部气流路径，并通过三维大尺度多场耦合建模进行内部物理场分布质量分析，开展几何形貌和参数优化设计工作。
第7章针对传统SOFC复合电极系统介绍了微结构理论模型的发展，包括反应电极微结构参数与配位数关系的配位数理论，以及配位数与电极宏观有效性质关系的逾渗理论模型。该模型可以用于研究不同复合电极组分、粒径比例、粒径分布等微观参数对宏观电极性质的影响。
第8章进一步将微结构理论模型扩展应用于采用电子氧离子混合导电材料的SOFC复合电极的宏观电极性质预测与计算。
第9章进一步将微结构理论模型扩展应用于具有H+e-O2-混合导电特性的H+-SOFC电极宏观电极性质的预测与计算。
第10章以典型的LSCF-SDCSDCNi-SDC中温SOFC为例，系统介绍了纽扣电池跨尺度模型建立，包括逾渗微观模型（从微观结构参数中获得电极性能）和多物理场电池模型（从理论性质得到工作性能）。通过对局部电化学平衡的详细分析，推演得到不同SOFC模型对应的活化过电位表达式与电边界之间的约束关系，用于判断各类纽扣电池模型建立的有效性。
本书有以下特色：
① 本书基于作者15年来在燃料电池跨尺度多场耦合工程仿真技术方面的研究工作梳理汇编而成，梳理的理论基础、数值建模经验、研究结论具有较高的参考价值。
② 针对不同多孔复合电极类型（包含电子传导材质、氧离子传导材质、质子传导材质及混合导电材质）发展了逾渗理论模型，形成了关联微观材料参数-微结构特征-电极有效性质的理论体系。
③ 针对多种类型纽扣电池提供了详细的动-质-电化学-电子离子耦合模型建立的理论基础和方法路径。
④ 针对多种不同的平板和管式模块化SOFC电堆提供了三维大尺度建模分网和多场耦合计算案例，系统研究了关键结构参数对电堆内部物理场分布质量的影响规律，并基于此开发了多种
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