High-Temperature Solid Oxide Fuel Cells pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Elsevier Science Ltd

作者:Singhal, Subhash C. (EDT)/ Kendall, Kevin (EDT)

出品人:

页数:406

译者:

出版时间:

价格:270

装帧:HRD

isbn号码:9781856173872

丛书系列:

图书标签:

• 燃料电池
• 固体氧化物燃料电池
• 高温燃料电池
• 能源
• 材料科学
• 电化学
• 可再生能源
• SOFC
• 能源转换
• 电极材料

固体氧化物燃料电池（SOFC）的最新进展与挑战 图书名称：固态能源转换：下一代高温电化学器件的前沿探索 图书简介 本书系统性地梳理了近年来在固态能源转换领域，特别是与高温电化学器件相关的最新研究进展、核心技术瓶颈以及未来的发展方向。本书旨在为能源科学、材料工程、电化学以及相关工业领域的科研人员、工程师和高级学生提供一个全面且深入的技术参考。 第一部分：高温电化学器件的基础理论与材料科学 本部分聚焦于支撑下一代能源器件工作的基本物理化学原理和关键材料体系。 第一章：电化学反应动力学与输运现象 本章深入探讨了在高温固态电解质和电极界面上发生的复杂电化学反应机理。内容涵盖了电荷转移过程的阿伦尼乌斯（Arrhenius）依赖性、界面极化效应的理论模型（如集中电流模型、孔隙结构对欧姆极化的影响）。详细分析了高温离子导体的电导率、迁移数以及电化学活性的本征限制。特别强调了在操作温度区间内，反应界面的空间电荷层与固态电解质的扩散限制对整体性能的影响。 第二章：高性能固态电解质的设计与合成 固态电解质是决定器件效率和稳定性的核心组分。本章详细阐述了多种主流和新兴固态电解质材料的研究进展： 1. 氧化物基电解质： 重点介绍掺杂氧化钇稳定氧化锆（YSZ）在晶界电导率优化方面的最新进展，以及钇或钆掺杂二氧化铈（Ceria）在较低温度下实现高离子电导率的策略。讨论了化学计量比对晶格缺陷结构和氧离子迁移率的精确调控。 2. 锑酸盐与钙钛矿结构电解质： 深入分析了基于镧酸盐、锶酸盐等材料体系，通过元素替代实现质子传导或氧离子传导的机制。探讨了如何通过控制烧结气氛和温度，最大限度地抑制电子杂导，以确保优异的离子选择性。 3. 电解质薄膜的制备技术： 对比了化学气相沉积（CVD）、原子层沉积（ALD）以及先进的溶液烧结法（如溶胶-凝胶法）在制备厚度均匀、无微裂纹电解质层方面的优缺点，特别是针对微型化器件的挑战。 第三章：电极材料的催化活性与稳定性研究 高性能电极材料必须具备优异的电子导电性、多孔结构以及对工作气氛的化学稳定性。 1. 阴极材料的界面工程： 详细分析了基于锶掺杂的锰酸盐（LSM）和钴酸盐（LSC）的电化学性能。研究重点集中于如何通过纳米结构设计（如梯度层、表面涂覆）来有效降低氧还原反应（ORR）的活化能，并解决高温下与电解质的界面相容性问题（如脆性氧化物生成）。 2. 阳极材料与燃料的兼容性： 阐述了传统镍-氧化锆（Ni-SDC）阳极在甲烷、氢气等燃料处理中的优势与局限。深入探讨了新型无贵金属或低成本催化剂（如掺杂的钛酸盐或复合氧化物）在直接使用碳氢化合物燃料时，如何有效抑制积碳（Coking）的形成，并提高对燃料中硫、硅等杂质的耐受性。 第二部分：器件结构、系统集成与关键性能提升 本部分将焦点从基础材料转向实际器件的工程化和系统优化。 第四章：多孔结构与三相界面（TPI）的调控 器件性能的瓶颈往往在于三相界面的有效性。本章探讨了如何通过先进的粉末冶金技术和模板法来精确控制电极孔隙率、孔径分布以及三相接触线密度。分析了微孔、介孔和大孔结构对气体扩散速率和电子/离子传输路径的耦合影响。引入了先进的电化学阻抗谱（EIS）分析技术，用于定量解耦电极反应、欧姆电阻和扩散阻抗的贡献。 第五章：新型器件架构与微型化技术 本章关注器件几何构型对整体效率和功率密度的影响。 1. 平面式与管式架构的性能比较： 详细分析了平面型堆叠、管式（Tubes）以及近乎二维（2D）结构的电流收集路径优化。重点讨论了如何通过优化流场设计（如跨流/逆流），减小气体在流通中的压力降，并确保燃料和氧化剂的均匀分布。 2. 微型化与薄膜器件： 阐述了在微电子制造技术基础上开发的薄膜电化学器件的集成挑战。探讨了如何利用高沉积率的ALD技术制造出亚微米级的电解质层，从而将器件工作温度降低至中温范围（400-600°C），同时保持高功率密度。 第六章：高温器件的热管理与长期稳定性 长期运行的可靠性是评估任何高温电化学器件商业化潜力的关键标准。 1. 热循环与机械应力分析： 深入研究了器件在启动、停机和操作过程中的热梯度引起的内应力分布。讨论了材料的热膨胀系数匹配（CTE Matching）对防止层剥离和开裂的关键作用。引入了有限元分析（FEA）工具来预测和减轻热机械失效模式。 2. 电化学老化机制： 分析了高温长期运行中导致性能衰退的各种老化因素，包括：电极烧结导致的活性表面积损失、电解质中元素扩散导致的界面重构、以及在富氢或富甲烷气氛中电极材料的还原倾向。提出了一系列材料钝化和保护涂层技术，以延长器件的有效寿命。 第三部分：系统集成与未来展望 本部分将视野扩展至实际应用集成和未来研究方向。 第七章：系统集成中的关键挑战 本章讨论了将单个电化学单元集成到兆瓦级发电系统中所面临的工程问题。这包括： 1. 密封技术与气体纯度控制： 高温下，如何实现长期、零泄漏的密封是至关重要的。详细介绍了金属箔、陶瓷/金属复合材料在密封环上的应用，以及严格控制工作气氛中杂质（如CO2、H2O）的策略，以避免对电极的毒化或对电解质的腐蚀。 2. 直流电功率处理与逆变器匹配： 讨论了高温器件输出电流密度高、电压相对较低的特性，对直流/交流（DC/AC）逆变器拓扑结构提出的特殊要求。 第八章：超越传统氧化物体系的创新路径 本章展望了可能突破现有瓶颈的前沿研究领域： 1. 质子传导固态电解质（PCFCs）的工程化： 探讨了掺杂的复合材料（如BaCeO3基体）在实现中温下高质子电导率的潜力，以及如何解决其对水汽敏感和在氧化气氛下不稳定的问题。 2. 电化学制氢（Steam/CO2 Electrolysis）： 深入分析了在可再生能源驱动下，利用高温电解技术高效分解水和二氧化碳制备清洁燃料的效率、催化剂选择以及系统集成路径。 本书通过结合严谨的理论分析、前沿的实验数据和实际的工程应用案例，全面覆盖了固态能源转换器件从基础材料到系统集成的各个层面，为推动该领域的技术成熟和商业化应用提供了重要的理论指导和技术参考。

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