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固体氧化物燃料电池数值建模与仿真技术

固体氧化物燃料电池数值建模与仿真技术

  • 作者
  • 陈代芬、李洁、张宏哲著

《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...


  • ¥88.00

ISBN: 978-7-122-37370-0

版次: 1

出版时间: 2020-11-01

图书介绍

ISBN:978-7-122-37370-0

语种:汉文

开本:16

出版时间:2020-11-01

装帧:平

页数:182

编辑推荐

1.研究成果总结——基于作者15年以上对固体氧化物燃料电池工程仿真技术的研究成果,数据详实可靠。 2.基础理论模型——针对复合电极、各种类型纽扣电池模型、平板和管式电堆模型,系统研究关键技术参数的规律,对优化燃料电池结构有很好的参考价值。

作者简介

陈代芬,江苏科技大学,副院长,教授,陈代芬,男,博士/教授,现任能源与动力学院副院长,分管研究生教学、科研、及国际合作办学。目前为中国高温燃料电池标准化技术委员会委员(2018),中国可再生能源学会氢能专委会委员(2018),InternationalEnergyAgencyAnnex37member(2017),全国新能源科学与工程专业联盟理事(2018),省333高层次人才培养对象(2018)、省青蓝工程青年骨干教师(2014),校深蓝人才工程培养对象(2015)。 近15年来分别在中国科学技术大学微尺度物质科学国家研究中心,美国科罗拉多矿业学院机械分部,香港理工大学建筑系,澳大利亚科廷大学化工系,江苏科大能动学院从事燃料电池技术研究。研究兴趣主要侧重于以三传一反(传热,传质,动量传递,电化学反应)为核心的能源相关课题。具体包括燃料电池电堆的流道设计,热管理及优化;多孔复合电极逾渗理论和复杂三维重构分析技术;油气管道防腐蚀设计;及相关实验研究。近年来主持或主要参与包括国家自然基金、科技部国际交流项目、科技部外专引智项目、江苏省自科基金,中油管道局技术开发等各类课题近20项;在ACSEnergyLetters,AppliedEnergy,JPowerSources,EnergConversManage,AIChEJ,等国际知名期刊发表SCI论文30余篇,ISI总被引500余次,单篇影响因子达16.33,h-index=13;授权发明专利6项,合作出版专著2部。 教学方面,目前主讲工程流体力学、高等流体力学、新能源技术、燃料电池技术与应用等多门课程,分别与俄罗斯摩尔多瓦国立大学、乌克兰国立造船大学就“能源动力”和“轮机工程”专业开展硕士研究生双学位联合培养;指导学生获各类科技和创新创业竞赛8项,全国氢能大会论文奖2项、省本科毕业论文二等奖1项、省研究生创新工程项目2项,镇江市科技论文二等奖3篇,连续多年获校优/秀教师称号。

精彩书摘

《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。

目录

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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