《固体氧化物燃料电池数值建模与仿真技术(COMSOL)》

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《固体氧化物燃料电池数值建模与仿真技术(Comsol)》

正版书

一、内容简介：

《固体氧化物燃料电池数值建模与仿真技术》基于作者近15年来在燃料电池跨尺度多场耦合工程仿真技术方面的研究工作梳理汇编而成。主要包括：针对不同多孔复合电极类型（包含电子传导材质、氧离子传导材质、质子传导材质及混合导电材质）发展的系统逾渗理论模型和主要研究结论；针对各种类型纽扣电池建立的动-质-电化学-电子/离子耦合模型和主要研究结论；针对各种不同平板和管式模块化电堆三维大尺度多物理场耦合模型的建立方法，系统研究了关键结构参数对电堆内部物理场分布质量的影响规律，并基于此开发了多种优化的新型电堆设计方案。本书可供燃料电池研究人员、技术人员，COMSOL和ANSYS软件应用人员参考，也可供能源动力专业、新能源专业的师生参考使用。

21世纪，能源技术研究既面临挑战，同时也蕴含着极大契机。固体氧化物燃料电池作为一种典型的电化学发电设备，由于其高转化效率、低排放、燃料灵活、材料成本低廉等优点而备受国际上大部分能源研究所和工业团体的关注，成为多数未来能源系统的一个重要组成部分。如欧盟、日本和俄罗斯的小型热电系统发展战略，以及美国的低碳煤气化设备和氢能源战略等。近年来人们对固体氧化物燃料电池（SOFC）材料和电池制作工艺广泛关注，燃料电池核心组件电极经历了从原理性的单相电极、多孔电极、复合（及梯度）电极到骨架电极的发展，各种不同的材料组分和制作工艺也不断被开发使用。不同的材料处理和电极制作工艺将导致不同的电极微结构特征，进而影响电极宏观性质，因此发展关联微观材料参数-微结构特征-电极有效性质的知识体系具有重要意义。

二、课程目录：

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第1章绪论001
1.1发电技术简介001
1.1.1半导体pn结光伏发电001
1.1.2切割磁力线发电002
1.1.3电化学发电004
1.2固体氧化物燃料电池005
1.2.1电池单元结构及工作005
1.2.2电池堆结构组成及工作006
1.3SOFC模拟仿真的重要性007
1.3.1复合电极微结构模拟007
1.3.2电堆大尺度多场耦合模拟008
参考文献011
第2章结构对电堆内部空气分布特征的影响规律014
2.1结构与电池层间空气分布特征015
2.2网格及独立性验证017
2.3流体动力学分析018
2.4影响电堆内空气分布的主要因素020
2.4.1不同出/入口主管道形貌的空气分配特征对比020
2.4.2电池层间空气分配的决定参数022
2.4.3入口截面大于等于出口截面的空气分配规律023
2.4.4出/入口截面比例增加对空气分配的影响024
2.4.5出/入口主管道截面积的影响025
2.4.6电池单元出/入口头部宽度的影响025
2.4.7电堆规模（电池单元数）的影响025
2.4.8不同rib流道流动阻力的影响027
2.4.9不同出/入口主管道与壁面间距的影响028
参考文献029
第3章具有主管穿透电池区域及流道开口特征的SOFC电堆032
3.1电堆结构设计特征及相关理论034
3.1.1电堆设计结构034
3.1.2流体质量和动量守恒035
3.1.3流体组分守恒035
3.1.4电堆内部能量守恒036
3.1.5三维模型的边界条件036
3.2对应电堆内部的多物理场分布特征037
3.2.1电堆内部流动分布规律037
3.2.2数值模型的网格独立性验证037
3.2.3流体动力学分析039
3.2.4静压分布特性040
3.2.5电堆尺度的影响040
3.2.6单元电池表面的流动和温度041
3.2.7电堆单元内部的组分分布043
参考文献044
第4章10层模块化电池堆的歧管几何优化047
4.1电堆歧管几何优化简介047
4.2模块化电堆结构049
4.3燃料/空气对流管理模式050
4.4电堆流道的三维CFD建模051
4.5出/入口歧管位置的影响052
4.6出/入口歧管半径优化054
4.7不同出/入口歧管配置组合分析055
参考文献056
第5章矩形和离散圆柱形肋道对电堆内物质分布的影响059
5.1不同肋条形貌对电堆工作性能的影响059
5.2电堆结构特征和理论基础060
5.3电堆内部的多物理场分布质量064
5.3.1传统矩形肋道的应用064
5.3.2离散圆柱肋道的应用067
5.3.3离散错列肋道的应用071
5.3.4阴极结构/电化学反应/热量和物质输送的影响072
参考文献077
第6章管式电池堆的外部空气流道设计080
6.1管式电堆外空气流道设计介绍080
6.2外部气流路径结构及其数学模型082
6.3对应电堆内部的多物理场分布特征084
6.3.1一进口一出口电堆外空气流道084
6.3.2两进口两出口电堆外空气流道085
6.3.3改进的电堆外空气流道087
参考文献092
第7章传统SOFC复合电极的微结构理论模型095
7.1复合介质微结构理论简介095
7.2复合电极微结构和配位数关系096
7.2.1配位数理论基本概念096
7.2.2Bouvard逾渗理论模型098
7.2.3Suzuki逾渗理论模型099
7.2.4改进的逾渗理论模型101
7.3两组分复合电极逾渗模型102
7.3.1宏观电极有效性质与配位数关系102
7.3.2复合电极性质无量纲化计算107
7.4多组分复合电极逾渗模型111
7.4.1电极有效性质与配位数关系111
7.4.2复合电极性质无量纲化计算112
7.5针对颗粒尺寸分布的逾渗模型115
7.5.1某材料相颗粒尺寸正态分布表征115
7.5.2复合有效性质与微观参数关系116
7.5.3逾渗模型的有效性验证118
7.6其他针对微观电极的解析模型119
7.6.1方格网络随机分布模型119
7.6.2薄膜模型119
参考文献120
第8章采用电子/氧离子混合导电材料的复合电极逾渗模型123
8.1电子/氧离子混合导电电极123
8.2LSCF+YSZ/YSZ/Ni+YSZ电池单元示意124
8.3复合电极逾渗理论125
8.3.1配位数理论125
8.3.2二组分复合电极126
8.3.3具有颗粒尺寸分布的LSCF+YSZ电极131
8.4微观参数对混合电导电极性质的影响133
8.4.1微观参数对LSCF-YSZ-气孔逾渗三相线的影响133
8.4.2微观参数对LSCF-气孔逾渗两相界面的影响135
8.4.3微观参数对电极混合导电特性的影响136
8.4.4微观参数对物质传输特性的影响138
参考文献139
第9章具有H+/e-/O2-混合导电特性的H+-SOFC电极逾渗理论141
9.1H+/e-/O2-混合导电电极141
9.2相关理论模型142
9.2.1LSCF-BZCY-SDC复合阴极微观结构和工作过程143
9.2.2一般性逾渗理论的发展144
9.2.3材料的本征电导率148
9.3微观材料参数对电极性质的影响148
9.3.1组分体积分数的逾渗阈值149
9.3.2氧还原反应的潜在电化学反应位点149
9.3.3水蒸气生成反应的潜在电化学反应位点151
9.3.4电子/氧离子/质子/导电性质153
9.3.5气体输送特性154
参考文献156
第10章采用混合导电材料的SOFC纽扣电池多物理场建模分析159
10.1SOFC纽扣电池159
10.2电池工作理论基础161
10.2.1潜在的电化学活性位161
10.2.2电池内部导电过程等效电路162
10.2.3实际电化学活性位164
10.2.4局部电化学平衡过程的数学描述164
10.2.5活化过电势与电边界设置间的约束关系166
10.2.6混合导电型SOFC多物理场模型167
10.2.7IT-SOFC复合电极逾渗微观模型170
10.3纽扣电池跨尺度多场耦合模型的有效性验证172
10.4纯LSCF和LSCF-SDC复合阴极对电池性能的影响174
10.5实际电化学活化区域厚度175
10.6致密电解质的漏电影响177
10.7不同LSCF负载对电极和电池性能的影响179
参考文献181

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