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第1篇 导论 3

第1章 绿色可再生能源工程 3

1.1 地球的冷暖变化 3

1.2 近百年的地球气候变迁 4

1.3 温室气体 5

1.4 能源的需求 6

1.5 可再生能源工程发展 8

1.6 可再生能源政策 10

1.7 讨论 12

习题 12

参考文献 13

第2章 燃料电池系统 14

2.1 燃料电池分类及优缺点 14

2.1.1 分类 14

2.1.2 优缺点 15

2.2 固体电解质燃料电池（SOFC） 19

2.2.1 SOFC的电池组 19

2.2.2 燃料供应 20

2.2.3 燃料重整器 22

2.2.4 气体分配器及热交换器 22

2.2.5 电流收集 23

2.2.6 传感器及保护措施 23

2.2.7 外壳及结构固定 24

2.3 电能系统发展目标 24

2.3.1 电控逻辑 24

2.3.2 整合二次电池 25

2.3.3 整合其他发电装置 26

2.3.4 固定式及移动式差异 26

2.4 其他燃料电池 27

2.5 结论 28

2.6 讨论 28

习题 29

参考文献 29

第3章 燃料 32

3.1 燃料的分类及特性 32

3.2 氢 34

3.2.1 氢气的特征 34

3.2.2 氢的合成 34

3.2.3 储氢技术的发展 35

3.2.4 氢能应用与限制 36

3.3 生物质及生物质燃料 37

3.3.1 生物质的来源 37

3.3.2 生物质燃料工程及资源化 38

3.3.3 生物质能的其他应用 40

3.4 天然气 41

3.4.1 天然气成分及来源 41

3.4.2 合成天然气 42

3.4.3 天然气的储量 43

3.5 煤 43

3.5.1 煤的分类 43

3.5.2 煤的成分 44

3.5.3 煤的净化 44

3.6 石油 44

3.6.1 石油成分 45

3.6.2 石油的分类及性质 45

3.6.3 石油供给 46

3.7 结论 47

3.8 讨论 47

习题 47

参考文献 48

第2篇 基础篇 51

第4章 能量及电池功率 51

4.1 能量 51

4.1.1 能量形式 52

4.1.2 能量的来源 54

4.1.3 能量的转换 54

4.2 电化学反应 56

4.2.1 燃料电池的电位 56

4.2.2 气体压力及浓度对电极电位的影响 57

4.2.3 燃料电池的能量转换效率 58

4.3 电池的输出功率 59

4.4 电池的极化 60

4.5 实验与讨论 62

习题 63

参考文献 63

第5章 材料导电原理 65

5.1 导体分类 65

5.2 导电载流子 67

5.2.1 电子、电子空穴和偶极子 67

5.2.2 内在缺陷 67

5.2.3 混合型导电 68

5.3 带电离子的驱动方式 70

5.3.1 外来添加物的影响 72

5.3.2 温度的影响 73

5.3.3 氧化还原（redox）气氛的影响 74

5.4 晶界带电 75

5.4.1 晶界（晶面）带电原因 75

5.4.2 晶界电导模式 77

5.5 结论 78

5.6 讨论 78

习题 79

参考文献 79

第6章 SOFC材料热学性质 81

6.1 燃料电池材料 81

6.2 热传导 82

6.2.1 热传机制 82

6.2.2 热传导率的定义 83

6.2.3 热导系数测试法 84

6.2.4 影响材料导热的因素 85

6.3 热膨胀率 88

6.3.1 CTE测量法 88

6.3.2 影响CTE的因素 88

6.4 抗热冲击 89

6.4.1 抗热冲击的测试方法 90

6.4.2 热应力及热冲击破坏 91

6.5 结论 92

6.6 讨论 93

习题 93

参考文献 94

第3篇 固体燃料电池 97

第7章 固体电解质 97

7.1 固体电解质特性 97

7.2 萤石型电解质 99

7.2.1 氧化锆 102

7.2.2 氧化铈 105

7.2.3 氧化铋 106

7.3 钙钛矿型电解质 108

7.3.1 晶体结构特性 108

7.3.2 镓酸镧系列 109

7.4 导电性 111

7.4.1 添加物种类的影响 111

7.4.2 还原气氛的影响 112

7.4.3 晶界影响 113

7.5 电解质研究发展方向 114

7.5.1 新的高导电离子材料 114

7.5.2 减少电解质材料厚度 115

习题 116

参考文献 116

第8章 SOFC电极 120

8.1 阴极 120

8.1.1 阴极材料发展历程 120

8.1.2 阴极结构设计 123

8.1.3 阴极的电传导 127

8.2 SOFC阳极 130

8.2.1 阳极材料发展历程 131

8.2.2 阳极结构 136

8.3 电极操作及劣化 138

8.3.1 界面反应 139

8.3.2 电极长时间劣化 139

8.3.3 杂质及其他变量的影响 140

8.4 电极的新发展 140

习题 141

参考文献 142

第9章 SOFC封装 149

9.1 SOFC封装必要性 149

9.2 玻璃及玻璃陶瓷 150

9.2.1 玻璃成分 151

9.2.2 复合材料 155

9.2.3 封装温度 156

9.2.4 影响玻璃CTE的因素 157

9.3 云母、软金属及石墨 159

9.3.1 石墨／云母基材料 160

9.3.2 过渡金属 160

9.3.3 其他封装材料及方法 160

9.4 封装漏气控因 161

9.5 理想FC封装 163

习题 164

参考文献 164

第10章 电池及电池组的设计 168

10.1 单电池设计演化 168

10.1.1 分类 168

10.1.2 设计的演化 168

10.1.3 单电池最新发展 173

10.2 电池组的设计需求 174

10.3 连接器 175

10.3.1 铬酸镧基氧化物连接板 176

10.3.2 金属连接板 177

10.3.3 电流收集端子 178

10.4 平板型电池组 179

10.4.1 气体流道设计 179

10.4.2 供气歧管配置与封装 180

10.4.3 电池堆叠及封装 180

10.5 管型电池组 182

10.6 结论 184

习题 184

参考文献 184

第11章 固体燃料电池的工艺技术 188

11.1 固体燃料电池的组件形态 188

11.2 粉体合成技术 190

11.2.1 溶胶凝胶及相关化学合成法 191

11.2.2 共沉淀法 193

11.2.3 甘氨酸燃烧法 193

11.3 粉体分散技术 193

11.4 薄膜工艺技术 194

11.4.1 薄膜制作技术分类 194

11.4.2 薄层共烧 196

11.5 多孔材料的工艺技术 196

11.6 喷墨打印成型法 197

11.7 旋镀工艺技术 198

11.8 粉末射出成型法 200

11.9 未来挑战 201

习题 202

参考文献 202

第12章 碳氢燃料纯化及重整 207

12.1 SOFC的燃料需求 207

12.2 燃气纯化 209

12.2.1 除硫 209

12.2.2 分离二氧化碳 210

12.2.3 一氧化碳浓度的操控 210

12.3 燃气重整 211

12.3.1 蒸气重整 211

12.3.2 干式重整 211

12.3.3 直接氧化 212

12.3.4 部分氧化及自热重整 212

12.3.5 固型碳生成及去除 213

12.3.6 焦油减量技术 213

12.4 重整器及纯化器 214

12.4.1 催化剂及载体 214

12.4.2 重整器的设计 217

12.4.3 热源 218

12.5 展望及讨论 219

习题 220

参考文献 220

第4篇 电池测试及应用 225

第13章 电池性质测试 225

13.1 测试规范分类 225

13.2 交流阻抗分析 226

13.3 导电材料的一般电性 229

13.4 材料的电导率 230

13.4.1 三点测量法 230

13.4.2 对称双电极法 231

13.4.3 四点测量法 231

13.4.4 面比电阻 232

13.5 电池组的标准测试 237

13.5.1 电池的电动势分布 237

13.5.2 标准测试规范 239

13.5.3 燃料使用率估算 241

13.5.4 长时间测试 241

13.6 其他材料性质分析技术 242

13.6.1 微结构 242

13.6.2 氧离子扩散系数 243

13.6.3 氧离子传导系数 243

13.6.4 薄板的机械强度 243

习题 245

参考文献 246

第14章 SOFC失效及异常诊断 248

14.1 燃料电池的失效分析 248

14.2 层状结构的应力破坏 249

14.3 多孔电极龟裂 251

14.4 金属镍导体粗化及氧化 252

14.5 电解质穿孔泄漏 253

14.6 界面反应 255

14.6.1 电池组件间反应 255

14.6.2 来自燃料的反应物 256

14.7 讨论 257

习题 257

参考文献 258

第15章 定置型气化及低碳发电 261

15.1 定置型气化及发电 261

15.2 燃煤火力发电现况 262

15.3 燃料来源 262

15.3.1 固体生物质 263

15.3.2 甲烷冰 264

15.4 煤、石油及生物质燃料的气化 265

15.4.1 气化指标及燃料气分类 266

15.4.2 煤炭气化 267

15.4.3 固体燃料的气化反应比较 268

15.4.4 气化炉 269

15.4.5 燃料气化系统 271

15.5 气化联合循环发电（IGCC）技术 271

15.5.1 系统说明 271

15.5.2 IGCC系统的发电实例 272

15.6 气化联合循环燃料电池发电（IGFC）技术 274

15.6.1 系统说明 274

15.6.2 与其他先进电厂投资及电价比较 274

15.7 未来展望 276

15.8 讨论 276

习题 277

参考文献 277

第16章 便携式SOFC电源的应用 279

16.1 便携式SOFC的挑战 279

16.2 便携式SOFC的分类与差异 280

16.3 液体燃料重整器 280

16.3.1 汽油重整处理器 281

16.3.2 酒精处理器 281

16.3.3 其他燃料处理器 283

16.4 快速加热及绝热 283

16.4.1 加热组件 283

16.4.2 绝热设计 284

16.5 安全设计 285

16.5.1 燃料安全性 286

16.5.2 液体燃料的储存及气化 286

16.6 便携式系统 287

16.6.1 微型电源 287

16.6.2 膝上型电源 289

16.6.3 电动汽车（EV）用电源 290

16.7 结论 293

16.8 讨论 293

习题 293

参考文献 294

索引 297