前言

燃料電池是一種典型的電化學(xué)發(fā)電設(shè)備，是將儲(chǔ)存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿陌l(fā)電設(shè)備，能量轉(zhuǎn)換不受卡諾循環(huán)限制，以其高效、環(huán)保、低噪等優(yōu)勢(shì)被譽(yù)為21世紀(jì)最具前景的發(fā)電技術(shù)之一。其在歐美等國家被深入研發(fā)，廣泛應(yīng)用于航空航天、水下航行器、陸地單兵裝備等軍用領(lǐng)域，并開始覆蓋民用公交系統(tǒng)和通訊等領(lǐng)域。

燃料電池工作過程中涉及的傳熱、傳質(zhì)、動(dòng)量傳遞、電化學(xué)反應(yīng)和離子電子混合導(dǎo)電等過程并非互不相干而是強(qiáng)烈相互耦合的，通過實(shí)驗(yàn)方法研究不同過程間的相互作用是一種非常昂貴且耗時(shí)的方式，相對(duì)而言數(shù)值模擬方法成本低且高效。而且分析結(jié)果有助于研究者對(duì)燃料電池工作過程中的各種現(xiàn)象深入理解，幫助研究者找到對(duì)燃料電池性能影響的主要因素，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)潛在問題，進(jìn)行有針對(duì)性的優(yōu)化設(shè)計(jì)。隨著計(jì)算機(jī)和商業(yè)軟件的發(fā)展，數(shù)值模擬方法越來越強(qiáng)大、越來越準(zhǔn)確，在燃料電池設(shè)計(jì)優(yōu)化的道路上，數(shù)值模擬方法扮演著越來越重要的角色。但是對(duì)燃料電池進(jìn)行建模非常復(fù)雜，目前各國學(xué)者從多個(gè)方面建立了完善程度不同的用于模擬燃料電池性能的模型。

《管式固體氧化物燃料電池的數(shù)值分析優(yōu)化》針對(duì)的研究對(duì)象是管式結(jié)構(gòu)的固體氧化物燃料電池（TSOFC），管式結(jié)構(gòu)單電池由一端封閉、一端開口的多層管子構(gòu)成，是SOFC最早發(fā)展的一種形式，也是目前較為成熟和實(shí)用化的一種形式，其在電能輸出的穩(wěn)定性、長時(shí)間抗劣化衰減、抗熱應(yīng)力破壞三個(gè)方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。對(duì)管式SOFC的研發(fā)主要集中在以美國、日本和歐洲為代表的一些發(fā)達(dá)國家，其中美國開展管式SOFC的研究最早，我國多數(shù)研究機(jī)構(gòu)集中在平板式SOFC的研究，管式SOFC的研究較少。

書中對(duì)燃料電池工作過程數(shù)值模擬相關(guān)的理論基礎(chǔ)進(jìn)行了較為系統(tǒng)地闡述，詳細(xì)描述了燃料電池工作過程中涉及的流體力學(xué)，對(duì)流導(dǎo)熱，管道、多孔介質(zhì)傳質(zhì)，電化學(xué)等多學(xué)科知識(shí)體系，并結(jié)合管式SOFC內(nèi)部復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和流動(dòng)分配特征詳細(xì)推演得出管式SOFC的電化學(xué)、傳質(zhì)、傳熱和混合導(dǎo)電之間的偏微分耦合數(shù)值模型，所建立的管式SOFC多物理場(chǎng)耦合數(shù)值模型是具有菲克定律形式的塵氣模型。

在電池單元尺度層面上，建立了一個(gè)多物理場(chǎng)耦合模型來研究電池構(gòu)型對(duì)其性能的影響。模型中考慮了集流件與電極間的接觸電阻，耦合了電子導(dǎo)電過程、離子導(dǎo)電過程、氣體輸運(yùn)過程以及電化學(xué)反應(yīng)過程。

書中建立的空氣分配設(shè)計(jì)方案可為陽極支撐型管式SOFC電堆提供可靠的空氣分配質(zhì)量，解決了其實(shí)用化面臨的技術(shù)難題之一，為研發(fā)高性能管式SOFC電堆提供了重要的技術(shù)支持。

本書由于子冬、陳代芬、孔為、肖蓓蓓共同撰寫，在編寫和出版過程中得到了江蘇科技大學(xué)的支持和資助，得到了化學(xué)工業(yè)出版社編輯的熱心幫助，謹(jǐn)在此致以衷心的感謝。

由于作者水平有限，書中難免有不當(dāng)之處，敬請(qǐng)廣大讀者不吝指正。

著者

2017年7月