高温固体氧化物燃料电池 原理、设计和应用PDF电子书下载

第1章 固体氧化物燃料电池介绍 1

1.1 背景 1

1.2 历史概述 2

1.3 氧化锆氧传感器 3

1.4 氧化锆的应用和生产 4

1.5 高质量电解质的制备工艺 6

1.6 电极材料和电极反应 7

1.7 电池连接体 9

1.8 电池和电池堆的设计 11

1.9 SOFC发电系统 12

1.10 燃料因素 13

1.11 与热机竞争及结合 14

1.12 应用领域和聚合物电解质燃料电池的关系 15

1.13 SOFC的相关出版物 16

参考文献 17

第2章 燃料电池历史 20

2.1 固体电解质燃气电池的起源 20

2.2 从固体电解质燃气电池到SOFC的发展 22

2.3 最初的SOFC的详细研究 24

2.4 20世纪60年代的进展 27

2.5 实用SOFC的进展 33

参考文献 37

第3章 热力学 44

3.1 引言 44

3.2 理想的可逆SOFC 47

3.3 欧姆电阻和燃料利用时的混合效应引起的电压损失 52

3.4 产生电和热的燃料电池的热力学定义 56

3.5 SOFC混合系统的热力学理论 58

3.6 电池混合系统的设计原理 65

3.7 小结 68

参考文献 69

第4章 电解质 71

4.1 引言 71

4.2 萤石结构的电解质 71

4.3 氧化锆基氧离子导体 76

4.4 氧化铈基氧离子导体 79

4.5 氧化锆基和氧化铈基电解质薄膜的制备 81

4.6 钙钛矿结构电解质 83

4.6.1 LaAlO3 83

4.6.2 Ca、Sr、Mg掺杂LaGaO3 85

4.6.3 过渡元素掺杂LaGaO3 90

4.7 其他结构的氧化物 91

4.7.1 钙铁石（如Ba2In2O5） 91

4.7.2 非立方氧化物 93

4.8 质子传导氧化物 95

4.9 小结 97

参考文献 97

第5章 阴极 102

5.1 引言 102

5.2 钙钛矿阴极材料的物理特性和物理化学特性 103

5.2.1 点阵结构、氧的非化学计量数及化合价的稳定性 103

5.2.2 电导率 105

5.2.3 热膨胀 107

5.2.4 表面反应速率和氧离子电导率 108

5.3 钙钛矿阴极与氧化锆反应 112

5.3.1 热力学因素 112

5.3.2 实验结果 114

5.3.3 阴极／电解质反应和电池性能 116

5.3.4 中温SOFC阴极 117

5.4 钙钛矿阴极与连接体的兼容性 119

5.4.1 阴极与氧化物连接体的兼容性 119

5.4.2 阴极与金属连接体的兼容性 120

5.5 阴极制备 122

5.6 小结 123

参考文献 123

第6章 阳极 128

6.1 引言 128

6.2 阳极要求 128

6.3 金属陶瓷阳极的选择 130

6.4 金属陶瓷制备 131

6.5 稳态条件下的阳极特性 133

6.6 平衡态附近的暂态阳极特性 135

6.7 带负载的阳极特性 137

6.8 阳极在非氢燃料下的运行状况 140

6.9 碳氢化合物直接氧化阳极 141

6.10 小结 144

参考文献 144

第7章 连接体 147

7.1 引言 147

7.2 陶瓷连接体（铬酸镧和铬酸钇） 148

7.2.1 电导率 148

7.2.2 热膨胀 151

7.2.3 热导率 151

7.2.4 机械强度 152

7.2.5 工艺 153

7.3 金属连接体 154

7.3.1 铬基合金 155

7.3.2 铁素体钢 156

7.3.3 其他金属材料 159

7.4 金属连接体保护层和接触材料 160

7.5 小结 162

参考文献 162

第8章 电池及电池堆设计 169

8.1 引言 169

8.2 平板式SOFC 169

8.2.1 电池制备 176

8.2.2 电池和电池堆性能 178

8.3 管式SOFC的设计 180

8.3.1 电池运行和性能 183

8.3.2 管式电池堆 184

8.3.3 其他管式电池 186

8.4 微管式SOFC 188

8.5 小结 193

参考文献 193

第9章 电极极化 198

9.1 引言 199

9.2 欧姆极化 200

9.3 浓差极化 201

9.4 活化极化 205

9.4.1 阴极活化极化 209

9.4.2 阳极活化极化 214

9.5 极化测试（电化学阻抗谱法） 215

9.6 小结 220

参考文献 221

第10章 电极、电池和小电池堆的测试 224

10.1 引言 224

10.2 电极测试 225

10.3 电池和小电池堆测试 229

10.4 面电阻（ASR） 234

10.5 电极和电池测试结果的比较 238

10.5.1 总损失中的非活性贡献 240

10.5.2 温度测量误差 240

10.5.3 阴极特性 240

10.5.4 电池阻抗分析 242

10.6 电池测试中的漏气问题 243

气体泄漏程度评价 244

10.7 小结 245

参考文献 246

第11章 电池、电池堆和系统模型 250

11.1 引言 253

11.2 气流模型和热模型 254

11.2.1 质量平衡 254

11.2.2 动量守恒 254

11.2.3 能量守恒 255

11.3 连续统电化学模型 257

11.4 化学反应和速率方程 261

11.5 电池和电池堆模型 264

11.6 系统层次的模型 269

11.7 热应力模型 270

11.8 电极层次的电化学模型 272

11.8.1 电极层次模型的原理与方法 273

11.8.2 基于传质分析的电极模型 275

11.8.3 基于整体浓度、电势和电流分布的一元多孔电极模型 275

11.8.4 蒙特卡罗（Monte Carlo）或随机电极结构模型 277

11.9 分子层次模型 278

11.10 小结 279

参考文献 279

第12章 燃料与燃料处理 284

12.1 引言 284

12.2 燃料种类 285

12.3 直接和间接内部重整 288

12.3.1 直接内部重整 290

12.3.2 间接内部重整 291

12.4 水蒸气、二氧化碳以及部分氧化重整碳氢化合物 292

12.5 碳氢化合物直接电催化氧化 295

12.6 积炭 295

12.7 耐硫性和除硫 299

12.8 燃料处理的阳极材料 300

12.9 可再生燃料在SOFC电池堆中的应用 301

12.10 小结 302

参考文献 303

第13章 系统与应用 309

13.1 引言 309

13.2 能源市场的趋势和SOFC的适应性 311

13.3 发电系统的竞争和SOFC的应用 312

13.4 SOFC系统的设计和性能 315

13.4.1 常压分布式SOFC发电系统 315

13.4.2 家居、辅助电源和其他常压式SOFC系统 317

13.4.3 加压式SOFC／涡轮机混合系统 318

13.4.4 系统的控制和动力学 320

13.4.5 SOFC系统成本 322

13.4.6 SOFC系统应用举例 323

13.5 SOFC系统的示范 324

13.5.1 西门子西屋系统 325

13.5.2 Sulzer Hexis系统 328

13.5.3 其他公司的SOFC系统 330

13.6 小结 331

参考文献 332