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第1篇 导论3

第1章 绿色可再生能源工程3

1.1 地球的冷暖变化3

1.2 近百年的地球气候变迁4

1.3 温室气体5

1.4 能源的需求6

1.5 可再生能源工程发展8

1.6 可再生能源政策10

1.7 讨论12

习题12

参考文献13

第2章 燃料电池系统14

2.1 燃料电池分类及优缺点14

2.1.1 分类14

2.1.2 优缺点15

2.2 固体电解质燃料电池（SOFC）19

2.2.1 SOFC的电池组19

2.2.2 燃料供应20

2.2.3 燃料重整器22

2.2.4 气体分配器及热交换器22

2.2.5 电流收集23

2.2.6 传感器及保护措施23

2.2.7 外壳及结构固定24

2.3 电能系统发展目标24

2.3.1 电控逻辑24

2.3.2 整合二次电池25

2.3.3 整合其他发电装置26

2.3.4 固定式及移动式差异26

2.4 其他燃料电池27

2.5 结论28

2.6 讨论28

习题29

参考文献29

第3章 燃料32

3.1 燃料的分类及特性32

3.2 氢34

3.2.1 氢气的特征34

3.2.2 氢的合成34

3.2.3 储氢技术的发展35

3.2.4 氢能应用与限制36

3.3 生物质及生物质燃料37

3.3.1 生物质的来源37

3.3.2 生物质燃料工程及资源化38

3.3.3 生物质能的其他应用40

3.4 天然气41

3.4.1 天然气成分及来源41

3.4.2 合成天然气42

3.4.3 天然气的储量43

3.5 煤43

3.5.1 煤的分类43

3.5.2 煤的成分44

3.5.3 煤的净化44

3.6 石油44

3.6.1 石油成分45

3.6.2 石油的分类及性质45

3.6.3 石油供给46

3.7 结论47

3.8 讨论47

习题47

参考文献48

第2篇 基础篇51

第4章 能量及电池功率51

4.1 能量51

4.1.1 能量形式52

4.1.2 能量的来源54

4.1.3 能量的转换54

4.2 电化学反应56

4.2.1 燃料电池的电位56

4.2.2 气体压力及浓度对电极电位的影响57

4.2.3 燃料电池的能量转换效率58

4.3 电池的输出功率59

4.4 电池的极化60

4.5 实验与讨论62

习题63

参考文献63

第5章 材料导电原理65

5.1 导体分类65

5.2 导电载流子67

5.2.1 电子、电子空穴和偶极子67

5.2.2 内在缺陷67

5.2.3 混合型导电68

5.3 带电离子的驱动方式70

5.3.1 外来添加物的影响72

5.3.2 温度的影响73

5.3.3 氧化还原（redox）气氛的影响74

5.4 晶界带电75

5.4.1 晶界（晶面）带电原因75

5.4.2 晶界电导模式77

5.5 结论78

5.6 讨论78

习题79

参考文献79

第6章 SOFC材料热学性质81

6.1 燃料电池材料81

6.2 热传导82

6.2.1 热传机制82

6.2.2 热传导率的定义83

6.2.3 热导系数测试法84

6.2.4 影响材料导热的因素85

6.3 热膨胀率88

6.3.1 CTE测量法88

6.3.2 影响CTE的因素88

6.4 抗热冲击89

6.4.1 抗热冲击的测试方法90

6.4.2 热应力及热冲击破坏91

6.5 结论92

6.6 讨论93

习题93

参考文献94

第3篇 固体燃料电池97

第7章 固体电解质97

7.1 固体电解质特性97

7.2 萤石型电解质99

7.2.1 氧化锆102

7.2.2 氧化铈105

7.2.3 氧化铋106

7.3 钙钛矿型电解质108

7.3.1 晶体结构特性108

7.3.2 镓酸镧系列109

7.4 导电性111

7.4.1 添加物种类的影响111

7.4.2 还原气氛的影响112

7.4.3 晶界影响113

7.5 电解质研究发展方向114

7.5.1 新的高导电离子材料114

7.5.2 减少电解质材料厚度115

习题116

参考文献116

第8章 SOFC电极120

8.1 阴极120

8.1.1 阴极材料发展历程120

8.1.2 阴极结构设计123

8.1.3 阴极的电传导127

8.2 SOFC阳极130

8.2.1 阳极材料发展历程131

8.2.2 阳极结构136

8.3 电极操作及劣化138

8.3.1 界面反应139

8.3.2 电极长时间劣化139

8.3.3 杂质及其他变量的影响140

8.4 电极的新发展140

习题141

参考文献142

第9章 SOFC封装149

9.1 SOFC封装必要性149

9.2 玻璃及玻璃陶瓷150

9.2.1 玻璃成分151

9.2.2 复合材料155

9.2.3 封装温度156

9.2.4 影响玻璃CTE的因素157

9.3 云母、软金属及石墨159

9.3.1 石墨／云母基材料160

9.3.2 过渡金属160

9.3.3 其他封装材料及方法160

9.4 封装漏气控因161

9.5 理想FC封装163

习题164

参考文献164

第10章 电池及电池组的设计168

10.1 单电池设计演化168

10.1.1 分类168

10.1.2 设计的演化168

10.1.3 单电池最新发展173

10.2 电池组的设计需求174

10.3 连接器175

10.3.1 铬酸镧基氧化物连接板176

10.3.2 金属连接板177

10.3.3 电流收集端子178

10.4 平板型电池组179

10.4.1 气体流道设计179

10.4.2 供气歧管配置与封装180

10.4.3 电池堆叠及封装180

10.5 管型电池组182

10.6 结论184

习题184

参考文献184

第11章 固体燃料电池的工艺技术188

11.1 固体燃料电池的组件形态188

11.2 粉体合成技术190

11.2.1 溶胶凝胶及相关化学合成法191

11.2.2 共沉淀法193

11.2.3 甘氨酸燃烧法193

11.3 粉体分散技术193

11.4 薄膜工艺技术194

11.4.1 薄膜制作技术分类194

11.4.2 薄层共烧196

11.5 多孔材料的工艺技术196

11.6 喷墨打印成型法197

11.7 旋镀工艺技术198

11.8 粉末射出成型法200

11.9 未来挑战201

习题202

参考文献202

第12章 碳氢燃料纯化及重整207

12.1 SOFC的燃料需求207

12.2 燃气纯化209

12.2.1 除硫209

12.2.2 分离二氧化碳210

12.2.3 一氧化碳浓度的操控210

12.3 燃气重整211

12.3.1 蒸气重整211

12.3.2 干式重整211

12.3.3 直接氧化212

12.3.4 部分氧化及自热重整212

12.3.5 固型碳生成及去除213

12.3.6 焦油减量技术213

12.4 重整器及纯化器214

12.4.1 催化剂及载体214

12.4.2 重整器的设计217

12.4.3 热源218

12.5 展望及讨论219

习题220

参考文献220

第4篇 电池测试及应用225

第13章 电池性质测试225

13.1 测试规范分类225

13.2 交流阻抗分析226

13.3 导电材料的一般电性229

13.4 材料的电导率230

13.4.1 三点测量法230

13.4.2 对称双电极法231

13.4.3 四点测量法231

13.4.4 面比电阻232

13.5 电池组的标准测试237

13.5.1 电池的电动势分布237

13.5.2 标准测试规范239

13.5.3 燃料使用率估算241

13.5.4 长时间测试241

13.6 其他材料性质分析技术242

13.6.1 微结构242

13.6.2 氧离子扩散系数243

13.6.3 氧离子传导系数243

13.6.4 薄板的机械强度243

习题245

参考文献246

第14章 SOFC失效及异常诊断248

14.1 燃料电池的失效分析248

14.2 层状结构的应力破坏249

14.3 多孔电极龟裂251

14.4 金属镍导体粗化及氧化252

14.5 电解质穿孔泄漏253

14.6 界面反应255

14.6.1 电池组件间反应255

14.6.2 来自燃料的反应物256

14.7 讨论257

习题257

参考文献258

第15章 定置型气化及低碳发电261

15.1 定置型气化及发电261

15.2 燃煤火力发电现况262

15.3 燃料来源262

15.3.1 固体生物质263

15.3.2 甲烷冰264

15.4 煤、石油及生物质燃料的气化265

15.4.1 气化指标及燃料气分类266

15.4.2 煤炭气化267

15.4.3 固体燃料的气化反应比较268

15.4.4 气化炉269

15.4.5 燃料气化系统271

15.5 气化联合循环发电（IGCC）技术271

15.5.1 系统说明271

15.5.2 IGCC系统的发电实例272

15.6 气化联合循环燃料电池发电（IGFC）技术274

15.6.1 系统说明274

15.6.2 与其他先进电厂投资及电价比较274

15.7 未来展望276

15.8 讨论276

习题277

参考文献277

第16章 便携式SOFC电源的应用279

16.1 便携式SOFC的挑战279

16.2 便携式SOFC的分类与差异280

16.3 液体燃料重整器280

16.3.1 汽油重整处理器281

16.3.2 酒精处理器281

16.3.3 其他燃料处理器283

16.4 快速加热及绝热283

16.4.1 加热组件283

16.4.2 绝热设计284

16.5 安全设计285

16.5.1 燃料安全性286

16.5.2 液体燃料的储存及气化286

16.6 便携式系统287

16.6.1 微型电源287

16.6.2 膝上型电源289

16.6.3 电动汽车（EV）用电源290

16.7 结论293

16.8 讨论293

习题293

参考文献294

索引297