本書重點介紹電化學能量轉(zhuǎn)化與儲存技術(shù)的相關(guān)基礎(chǔ)知識，闡釋電化學科學與先進能源轉(zhuǎn)化裝置關(guān)系。針對當前清潔能源發(fā)電及儲能等關(guān)鍵問題，概述燃料電池的發(fā)展歷史、應用及研究現(xiàn)狀，講述電化學反應體系的基本原理、分類、熱力學和電化學基礎(chǔ)知識，電極反應動力學基礎(chǔ)、電化學體系中的傳遞過程；針對工程應用，深入研討三大類反應裝置（化學能到電能的直接轉(zhuǎn)化-燃料電池；電能到化學能的直接轉(zhuǎn)化：電解池
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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(tài)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(zhì)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 基于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 黏附系數(shù) 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(tài)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(guān)聯(lián) 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(fā)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(fā)電系統(tǒng) 89
4.8.1 SOFC簡單循環(huán)發(fā)電系統(tǒng) 89
4.8.2 SOFC-GT混合發(fā)電系統(tǒng) 91
4.9 本章小結(jié) 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(tǒng)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(shè) 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(shè)置 114
5.4.5 模型參數(shù) 114
5.4.6 模擬結(jié)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(jié)果分析 123
5.6 發(fā)電系統(tǒng)模型 128
5.6.1 西門子-西屋公司SOFC-GT混合發(fā)電系統(tǒng) 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(jié)果分析 140
5.7 本章小結(jié) 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(fā)展概況及工作原理 149
6.2.1 發(fā)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(zhì)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(chǔ)性能 164
6.5.2 FFC電池單元構(gòu)型 169
6.5.3 SOFC與富燃火焰耦合作用機制 171
6.6 FFC熱電聯(lián)供系統(tǒng) 172
6.6.1 基于FFC的微型冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)模型 173
6.6.2 富燃當量比對系統(tǒng)性能的影響 175
6.6.3 燃料利用率對系統(tǒng)性能的影響 177
6.6.4 不同系統(tǒng)構(gòu)型比較 178
6.7 挑戰(zhàn)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(jié)構(gòu)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(tài)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(tài)金屬陽極SO-DCFC 207
7.6.1 金屬氧化物對液態(tài)金屬陽極的影響 207
7.6.2 液態(tài)金屬陽極中的碳轉(zhuǎn)化機理 210
7.7 DCFC電堆及系統(tǒng) 215
7.8 挑戰(zhàn)與展望 218
7.8.1 DCFC的技術(shù)挑戰(zhàn) 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(zhuǎn)化 238
8.3.2 CO2/CO電化學轉(zhuǎn)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(qū) 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(chǎn)物定向調(diào)控和動態(tài)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(diào)控 268
8.5.6 管式SOEC動態(tài)特性 271
8.6 可再生能源電制氣分布式儲能系統(tǒng)能效與穩(wěn)定性 272
8.6.1 SOEC可逆化操作實現(xiàn)多能源轉(zhuǎn)化 273
8.6.2 SOEC電解合成甲烷子系統(tǒng)分析 274
8.6.3 風電融入下的可逆SOEC儲能系統(tǒng)穩(wěn)定性分析 275
8.7 挑戰(zhàn)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(shù)及分析方法 285
9.1 引言 285
9.2 穩(wěn)態(tài)測試技術(shù) 286
9.2.1 電化學基礎(chǔ)變量：電壓、電流和時間 286
9.2.2 極化曲線 287
9.3 瞬態(tài)測試技術(shù) 288
9.3.1 EIS測試技術(shù) 288
9.3.2 基于機理模型的解譜技術(shù) 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反應體系的應用 297
9.5 基于圖案電極的測試技術(shù)與反應機理解析 302
參考文獻 305
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