前言

21世紀(jì)，能源技術(shù)研究既面臨挑戰(zhàn)，同時也蘊(yùn)含著極大契機(jī)。固體氧化物燃料電池作為一種典型的電化學(xué)發(fā)電設(shè)備，由于其高轉(zhuǎn)化效率、低排放、燃料靈活、材料成本低廉等優(yōu)點(diǎn)而備受國際上大部分能源研究所和工業(yè)團(tuán)體的關(guān)注，成為多數(shù)未來能源系統(tǒng)的一個重要組成部分。如歐盟、日本和俄羅斯的小型熱電系統(tǒng)發(fā)展戰(zhàn)略，以及美國的低碳煤氣化設(shè)備和氫能源戰(zhàn)略等。

近年來人們對固體氧化物燃料電池（SOFC）材料和電池制作工藝廣泛關(guān)注，燃料電池核心組件電極經(jīng)歷了從原理性的單相電極、多孔電極、復(fù)合（及梯度）電極到骨架電極的發(fā)展，各種不同的材料組分和制作工藝也不斷被開發(fā)使用。不同的材料處理和電極制作工藝將導(dǎo)致不同的電極微結(jié)構(gòu)特征，進(jìn)而影響電極宏觀性質(zhì)，因此發(fā)展關(guān)聯(lián)微觀材料參數(shù)-微結(jié)構(gòu)特征-電極有效性質(zhì)的知識體系具有重要意義。

有別于電池單元，SOFC電堆是一個復(fù)雜的動-熱-質(zhì)-電子/離子導(dǎo)電-電化學(xué)耦合工作工程且具有尺度大、部件小的特點(diǎn)。SOFC電堆實(shí)物制作具有昂貴、工序復(fù)雜、耗時、熱循環(huán)易損壞等特點(diǎn)。其高工作溫度及流道空間小的特點(diǎn)，決定了很難對電堆內(nèi)部的流動分布、濃度、溫度、電流密度、電化學(xué)反應(yīng)、局部漏氣和應(yīng)力分布進(jìn)行實(shí)驗監(jiān)控和測量。因此想通過實(shí)驗嘗試全面細(xì)致地探索各種結(jié)構(gòu)參數(shù)和工況對性能的影響有較大難度。發(fā)展三維大尺度多場耦合電堆工程仿真技術(shù)，研究關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)對核心物理量的調(diào)控作用，形成優(yōu)化設(shè)計方案，最終形成SOFC電堆工程設(shè)計理論體系具有重要意義。

本書基于作者近15年來在燃料電池跨尺度多場耦合工程仿真技術(shù)方面的研究工作，共分10章針對SOFC復(fù)合電極逾滲理論、紐扣電池數(shù)值建模分析、電堆三維大尺度多場耦合建模分析技術(shù)三方面進(jìn)行了系統(tǒng)介紹。

第1章在介紹發(fā)電技術(shù)的基礎(chǔ)上，介紹了固體氧化物燃料電池發(fā)電技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，電池單元結(jié)構(gòu)、電池堆結(jié)構(gòu)組成；最后介紹發(fā)展復(fù)合電極微結(jié)構(gòu)理論和電池堆大尺度多場耦合技術(shù)的重要性。

第2章介紹了多種不同電堆內(nèi)部空氣流道的三維大尺度多物理場建模技術(shù)，探討不依賴具體電堆設(shè)計的結(jié)構(gòu)與空氣分配特征的一般性規(guī)律，篩選影響電堆內(nèi)部流動分布的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)。

第3章針對具有“將燃料/空氣歧管放置在（并穿透）電池平面區(qū)域并采用開放式出口歧管”兩種結(jié)構(gòu)特征的18層SOFC電堆，建立了完整的三維大尺度多物理場電堆模型，計算分析了主要物理場的一般分布規(guī)律。

第4章系統(tǒng)介紹了采用由10～30個電池單元組成的平板型模塊化SOFC電堆構(gòu)建高輸出功率系統(tǒng)的諸多優(yōu)點(diǎn)。并針對具有對流特征的10層電池模塊化電堆進(jìn)歧管布置組合、入/出口歧管位置和半徑等幾何參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析。

第5章通過對不同肋道類型的SOFC電堆的三維大尺度建模，系統(tǒng)分析了矩形、離散對稱圓柱形和交錯圓柱形肋道流道對電堆陰極、陽極及整個電堆工作性能的影響，并得出優(yōu)化的陰極、陽極側(cè)肋條流道構(gòu)型組合結(jié)論。

第6章開發(fā)設(shè)計了一種新型的用于陽極支撐型T-SOFC電堆的外部氣流路徑，并通過三維大尺度多場耦合建模進(jìn)行內(nèi)部物理場分布質(zhì)量分析，開展幾何形貌和參數(shù)優(yōu)化設(shè)計工作。

第7章針對傳統(tǒng)SOFC復(fù)合電極系統(tǒng)介紹了微結(jié)構(gòu)理論模型的發(fā)展，包括反應(yīng)電極微結(jié)構(gòu)參數(shù)與配位數(shù)關(guān)系的配位數(shù)理論，以及配位數(shù)與電極宏觀有效性質(zhì)關(guān)系的逾滲理論模型。該模型可以用于研究不同復(fù)合電極組分、粒徑比例、粒徑分布等微觀參數(shù)對宏觀電極性質(zhì)的影響。

第8章進(jìn)一步將微結(jié)構(gòu)理論模型擴(kuò)展應(yīng)用于采用電子/氧離子混合導(dǎo)電材料的SOFC復(fù)合電極的宏觀電極性質(zhì)預(yù)測與計算。

第9章進(jìn)一步將微結(jié)構(gòu)理論模型擴(kuò)展應(yīng)用于具有H+/e-/O2-混合導(dǎo)電特性的H+-SOFC電極宏觀電極性質(zhì)的預(yù)測與計算。

第10章以典型的LSCF-SDC/SDC/Ni-SDC中溫SOFC為例，系統(tǒng)介紹了紐扣電池跨尺度模型建立，包括逾滲微觀模型（從微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)中獲得電極性能）和多物理場電池模型（從理論性質(zhì)得到工作性能）。通過對局部電化學(xué)平衡的詳細(xì)分析，推演得到不同SOFC模型對應(yīng)的活化過電位表達(dá)式與電邊界之間的約束關(guān)系，用于判斷各類紐扣電池模型建立的有效性。

本書有以下特色：

① 本書基于作者15年來在燃料電池跨尺度多場耦合工程仿真技術(shù)方面的研究工作梳理匯編而成，梳理的理論基礎(chǔ)、數(shù)值建模經(jīng)驗、研究結(jié)論具有較高的參考價值。

② 針對不同多孔復(fù)合電極類型（包含電子傳導(dǎo)材質(zhì)、氧離子傳導(dǎo)材質(zhì)、質(zhì)子傳導(dǎo)材質(zhì)及混合導(dǎo)電材質(zhì)）發(fā)展了逾滲理論模型，形成了關(guān)聯(lián)微觀材料參數(shù)-微結(jié)構(gòu)特征-電極有效性質(zhì)的理論體系。

③ 針對多種類型紐扣電池提供了詳細(xì)的動-質(zhì)-電化學(xué)-電子/離子耦合模型建立的理論基礎(chǔ)和方法路徑。

④ 針對多種不同的平板和管式模塊化SOFC電堆提供了三維大尺度建模分網(wǎng)和多場耦合計算案例，系統(tǒng)研究了關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)對電堆內(nèi)部物理場分布質(zhì)量的影響規(guī)律，并基于此開發(fā)了多種優(yōu)化的新型電堆設(shè)計方案。

本書主要由陳代芬、李潔、張宏哲著，孔為、徐雨、胡彪、丁凱、陳振宇、鄒雨廷、朱名楓、閆冬平、戴加祺等也參與了本書的資料整理工作。感謝化學(xué)工業(yè)出版社的相關(guān)編輯在本書的編寫過程中所給予的幫助和支持！由于筆者的水平有限，疏漏與不足之處在所難免，敬請同行與讀者不吝賜教。

著者

2020年5月