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| 編輯推薦： |
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《固体氧化物火焰燃料电池机理与性能研究》是王雨晴的博士学位论文，入选“清华大学优秀博士学位论文丛书“系列。
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| 內容簡介： |
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固体氧化物火焰燃料电池将富燃火焰与燃料电池在“无室”构型下耦合，是一类具有重要应用前景的新型固体氧化物燃料电池（SOFC）。《固体氧化物火焰燃料电池机理与性能研究》针对火焰燃料电池（FFC），分别从燃料电池、富燃火焰、电池单元及系统分析层面，深入研究了FFC 的反应机理与性能规律。
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| 關於作者： |
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王雨晴，2012年本科毕业于清华大学热能工程系，获工学学士学位，同年9月免试进入清华大学热能工程系攻读博士学位；于2017年获得动力工程及工程热物理专业博士学位，同年7月入职北京理工大学，任预聘助理教授（特别副研究员），同年11月获德国洪堡基金会资助赴德国卡尔斯鲁厄理工学院开展合作研究。主要研究方向为固体氧化物燃料电池及其分布式供能系统，目前以作者/通讯作者身份发表SCI收录论文10篇，EI论文12篇，获得国家发明专利一项。曾获研究生国家奖学金（2013/2016）、第十四届中日友好NSK机械工学优秀论文奖（2016）、清华大学优秀博士学位论文（2017）、清华大学优秀博士毕业生（2017）、德国洪堡奖学金（2017）等奖励。
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| 目錄：
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第1章 引言 1
1.1 课题背景和意义 1
1.2 固体氧化物火焰燃料电池工作原理 4
1.3 研究现状综述和分析 7
1.3.1 发展历史和研究进展 7
1.3.2 电池抗热震性 8
1.3.3 燃烧器富燃特性 10
1.3.4 火焰与燃料电池的耦合匹配特性 16
1.3.5 基于FFC的冷热电联供系统分析 17
1.3.6 研究中存在的主要问题 18
1.4 本书研究思路和研究内容 19
第2章 火焰燃料电池热应力分析和电池选型 21
2.1 模型建立 21
2.1.1 模型几何结构 21
2.1.2 模型假设 22
2.1.3 控制方程 22
2.1.4 边界条件 24
2.1.5 求解方法 25
2.2 模型验证与结果分析 25
2.2.1 模型验证 25
2.2.2 在火焰操作条件下与传统操作条件下的SOFC热应力对比 28
2.2.3 支撑体结构对抗热震性的影响 30
2.2.4 电池构型对抗热震性的影响 31
2.3 实验介绍 32
2.3.1 Hencken 型平焰燃烧器 33
2.3.2 电池结构与制备工艺 33
2.3.3 反应器和测试系统 35
2.4 实验结果与分析 36
2.4.1 Hencken 型平焰燃烧器温度分布 36
2.4.2 平板式SOFC与微管式SOFC的启动特性 38
2.4.3 微管式FFC电化学性能 39
2.5 本章小结 43
第3章 催化增强多孔介质燃烧器甲烷富燃特性研究 44
3.1 实验介绍 44
3.1.1 反应器和测试系统 44
3.1.2 参数定义 47
3.1.3 误差分析 48
3.1.4 实验步骤 51
3.2 甲烷多孔介质富燃燃烧特性实验结果与分析 52
3.2.1 火焰稳定性 52
3.2.2 气体流速对燃烧组分与温度的影响规律 53
3.2.3 当量比对燃烧组分与温度的影响规律 54
3.2.4 催化剂对燃烧组分与温度的影响规律 56
3.3 本章小结 58
第4章 催化增强多孔介质燃烧器甲烷富燃燃烧模型分析与性能优化 59
4.1 模型建立 59
4.1.1 模型计算域与假设 59
4.1.2 控制方程 60
4.1.3 边界条件 62
4.1.4 反应机理 63
4.1.5 求解方法 69
4.2 模型验证与结果分析 69
4.2.1 温度分布 69
4.2.2 燃烧组分 70
4.2.3 催化增强机理分析 71
4.2.4 燃烧器设计参数优化 72
4.3 两段式多孔介质燃烧器优化 77
4.3.1 氧化铝球直径的影响 77
4.3.2 操作条件对甲烷富燃燃烧特性的影响规律 78
4.4 本章小结 79
第5章 火焰燃料电池单元实验测试与模拟分析 81
5.1 实验介绍 81
5.1.1 反应器和测试系统 81
5.1.2 实验内容与步骤 83
5.2 FFC电池单元性能研究 83
5.2.1 不同当量比下FFC电化学性能 83
5.2.2 FFC电池单元效率分析 86
5.3 FFC电堆设计与性能测试 86
5.3.1 FFC电堆实验系统介绍 86
5.3.2 FFC电堆性能研究 88
5.4 火焰燃料电池单元模型建立与验证 90
5.4.1 模型计算域与假设 90
5.4.2 控制方程 91
5.4.3 边界条件 96
5.4.4 模型参数 97
5.4.5 模型验证 98
5.5 火焰与SOFC阳极耦合机制分析 98
5.5.1 Ni 催化剂的影响 98
5.5.2 电化学反应的影响 100
5.6 本章小结 103
第6章 基于FFC的冷热电联供系统分析 104
6.1 系统描述 104
6.1.1 系统构型 104
6.1.2 FFC模型 105
6.1.3 制冷器模型 110
6.1.4 其他部件模型 113
6.1.5 模型参数 114
6.1.6 系统性能评价参数 115
6.2 系统模拟结果与分析 115
6.2.1 参数敏感性分析 115
6.2.2 案例分析 119
6.2.3 不同系统构型比较 121
6.3 本章小结 122
第7章 总结与展望 123
7.1 全书总结 123
7.2 主要特色和创新点 125
7.3 工作展望 126
参考文献 127
在学期间发表的学术论文与研究成果 142
致谢 145
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| 內容試閱：
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导师序言
能源的清洁高效利用是世界各国普遍关注的热点问题，是实现社会可持续发展的重要途径。燃料电池作为一类清洁高效的能源利用技术，可直接将燃料中的化学能转化为电能，不受卡诺循环的限制，避免了传统发电技术由热能到机械能中间环节的能量损失，具有发电效率高、环境友好、模块性强等优点。目前，燃料电池技术在微型移动电源、车用动力电源、家用热电联供和分布式发电等领域已进入产业化初期阶段，有望成为继火电、水电、核电后的第四代发电技术。
燃料电池以电解质可分为不同类型，所采用的材料、工作温度和对燃料的处理要求各不相同，随着工作温度的升高，燃料处理的复杂度降低，效率升高。固体氧化物燃料电池（solid oxide fuel cell， SOFC）是一种典型的高温燃料电池，工作温度通常在600~1000℃，无需采用贵金属作为催化剂，可极大降低电池成本，同时其燃料适应性广，不仅可使用纯氢，还可使用合成气、重整气、天然气等混合燃料。SOFC技术在集中/分布式发电系统、小型发电设备、移动式电源等领域具有广阔的应用前景，在未来的能源、电力、运输等国民经济的重要领域中将发挥关键的作用。本研究团队自2003年以来持续致力于SOFC的基础研发和产业化应用，围绕SOFC的反应机理分析、电池性能优化、新型构型研发和系统拓扑结构设计等方面开展了较为深入的研究，取得了一些具有重要理论意义及实际应用价值的创新性科研成果。
王雨晴的博士学位论文在国家自然科学基金项目“直接多元扩散火焰燃料电池反应机理与数值模拟”（51106085）、国家自然科学基金项目“基于多孔介质燃烧的直接火焰燃料电池反应机理与性能研究”（51576112）和清华大学-广东万和新电气股份有限公司企业合作项目“基于多孔介质燃烧器与直接火焰燃料电池的微型热电联产系统”的资助下，研究了一种新型的SOFC构型——火焰燃料电池（flame fuel cell， FFC），是本课题组在该领域研究成果的一个典范。FFC将SOFC与富燃火焰直接耦合，在阳极利用富燃火焰为SOFC提供燃料，同时维持SOFC所需的工作温度。与传统SOFC相比，FFC理论上可采用任何碳氢化合物作为燃料，燃料适应性更为广泛，此外，FFC还具有装置结构简单、启动快速等优势，特别有望应用于小型热电联供系统和天然气分布式发电系统。围绕FFC，本书从燃料电池、富燃火焰、电池单元和发电系统层面，针对其反应机理、性能优化和系统分析开展了一系列研究。针对FFC快速升温带来的热应力问题，对火焰操作条件下电池的热应力和失效概率进行了定量分析，利用微管式SOFC抗热震性能好的优势，改善了火焰燃料电池的启动特性。针对传统燃烧器重整效率低、限制FFC发电效率的难点，采用催化增强的两段式多孔介质燃烧器产生甲烷富燃火焰，结合多孔介质燃烧内部热回流与催化增强燃烧降低反应活化能的优势，提高了甲烷的重整效率。基于多孔介质燃烧器与微管式SOFC的流动与传热特性，完成了火焰燃料电池单元和4管电堆的设计与稳定运行；建立了多尺度、多物理场耦合的基元反应模型，成功应用于FFC内反应机理鉴别与反应器性能优化设计。后，本书构建了基于FFC的微型冷热电三联供系统模型，获得了系统的稳态运行策略。本书的研究结果为FFC的电池选型、燃烧器性能优化、电池单元构型设计和系统集成提供了重要的理论基础和实验依据，有望进一步推动SOFC技术在分布式供能系统中的实际应用。
蔡宁生
清华大学能源与动力工程系
2020年1月于北京
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