前言

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。

有别于电池单元，SOFC电堆是一个复杂的动-热-质-电子/离子导电-电化学耦合工作工程且具有尺度大、部件小的特点。SOFC电堆实物制作具有昂贵、工序复杂、耗时、热循环易损坏等特点。其高工作温度及流道空间小的特点，决定了很难对电堆内部的流动分布、浓度、温度、电流密度、电化学反应、局部漏气和应力分布进行实验监控和测量。因此想通过实验尝试全面细致地探索各种结构参数和工况对性能的影响有较大难度。发展三维大尺度多场耦合电堆工程仿真技术，研究关键结构参数对核心物理量的调控作用，形成优化设计方案，最终形成SOFC电堆工程设计理论体系具有重要意义。

本书基于作者近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，共分10章针对SOFC复合电极逾渗理论、纽扣电池数值建模分析、电堆三维大尺度多场耦合建模分析技术三方面进行了系统介绍。

第1章在介绍发电技术的基础上，介绍了固体氧化物燃料电池发电技术的优点，电池单元结构、电池堆结构组成；最后介绍发展复合电极微结构理论和电池堆大尺度多场耦合技术的重要性。

第2章介绍了多种不同电堆内部空气流道的三维大尺度多物理场建模技术，探讨不依赖具体电堆设计的结构与空气分配特征的一般性规律，筛选影响电堆内部流动分布的关键结构参数。

第3章针对具有“将燃料/空气歧管放置在（并穿透）电池平面区域并采用开放式出口歧管”两种结构特征的18层SOFC电堆，建立了完整的三维大尺度多物理场电堆模型，计算分析了主要物理场的一般分布规律。

第4章系统介绍了采用由10～30个电池单元组成的平板型模块化SOFC电堆构建高输出功率系统的诸多优点。并针对具有对流特征的10层电池模块化电堆进歧管布置组合、入/出口歧管位置和半径等几何参数进行优化分析。

第5章通过对不同肋道类型的SOFC电堆的三维大尺度建模，系统分析了矩形、离散对称圆柱形和交错圆柱形肋道流道对电堆阴极、阳极及整个电堆工作性能的影响，并得出优化的阴极、阳极侧肋条流道构型组合结论。

第6章开发设计了一种新型的用于阳极支撑型T-SOFC电堆的外部气流路径，并通过三维大尺度多场耦合建模进行内部物理场分布质量分析，开展几何形貌和参数优化设计工作。

第7章针对传统SOFC复合电极系统介绍了微结构理论模型的发展，包括反应电极微结构参数与配位数关系的配位数理论，以及配位数与电极宏观有效性质关系的逾渗理论模型。该模型可以用于研究不同复合电极组分、粒径比例、粒径分布等微观参数对宏观电极性质的影响。

第8章进一步将微结构理论模型扩展应用于采用电子/氧离子混合导电材料的SOFC复合电极的宏观电极性质预测与计算。

第9章进一步将微结构理论模型扩展应用于具有H+/e-/O2-混合导电特性的H+-SOFC电极宏观电极性质的预测与计算。

第10章以典型的LSCF-SDC/SDC/Ni-SDC中温SOFC为例，系统介绍了纽扣电池跨尺度模型建立，包括逾渗微观模型（从微观结构参数中获得电极性能）和多物理场电池模型（从理论性质得到工作性能）。通过对局部电化学平衡的详细分析，推演得到不同SOFC模型对应的活化过电位表达式与电边界之间的约束关系，用于判断各类纽扣电池模型建立的有效性。

本书有以下特色：

① 本书基于作者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，梳理的理论基础、数值建模经验、研究结论具有较高的参考价值。

② 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）发展了逾渗理论模型，形成了关联微观材料参数-微结构特征-电极有效性质的理论体系。

③ 针对多种类型纽扣电池提供了详细的动-质-电化学-电子/离子耦合模型建立的理论基础和方法路径。

④ 针对多种不同的平板和管式模块化SOFC电堆提供了三维大尺度建模分网和多场耦合计算案例，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。

本书主要由陈代芬、李洁、张宏哲著，孔为、徐雨、胡彪、丁凯、陈振宇、邹雨廷、朱名枫、闫冬平、戴加祺等也参与了本书的资料整理工作。感谢化学工业出版社的相关编辑在本书的编写过程中所给予的帮助和支持！由于笔者的水平有限，疏漏与不足之处在所难免，敬请同行与读者不吝赐教。

著者

2020年5月