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固體氧化物電解池（solid oxide electrolysis cell， SOEC）能利用可再生能源電力將H2O和CO2一步高效轉化為甲烷，同步實現CO2資源化利用和可再生能源電力儲存，促進可再生能源與天然氣網路的深度融合。
為推進SOEC直接合成甲烷在可再生能源與天然氣融合的分散式能源系統中的應用，需要理解其內部的反應機理和反應傳遞耦合機制，以及系統中SOEC與其他部件的物質流和能量流傳輸原理。
本書採用實驗測試、動力學計算和數值模擬結合的研究方法開展SOEC合成 CH4反應特性和系統研究。
羅宇，男，1991年2月生，副教授，碩士生導師。研究方向：高溫二氧化碳電化學還原及可再生能源儲能。作者2013年于清華大學獲得工學學士學位，2016-2017年赴美國麻省理工學院開展國家公派博士生聯合培養，2018年於清華大學獲得工學博士學位，畢業後到福州大學化肥催化劑國家工程研究中心繼續從事一線科研工作。迄今在Appl Energy、J Power Sources、Energy Convers Manag和Energy等發表SCI論文23篇，EI論文5篇，申請發明專利15項（授權1項），曾獲得清華大學優秀博士學位論文一等獎、清華大學“學術新秀”、清華大學優秀博士畢業生等榮譽。
第1章 引言
1.1研究背景及意義
1.2不同電儲能技術的特點
1.3不同電解池技術的特點
1.4固體氧化物電解池電制氣儲能
1.4.1基本工作原理
1.4.2發展歷程
1.4.3可逆化操作
1.4.4能量轉換過程
1.5SOEC共電解H2O/CO2合成CH4研究現狀
1.5.1SOEC介面電化學反應機理研究現狀
1.5.2SOEC單元產物定向調控與動態特性研究現狀
1.5.3SOEC電制氣儲能系統集成研究現狀
1.5.4研究存在的主要問題
1.6研究思路及研究內容
第2章 圖案電極電化學反應機理研究
2.1概述
2.2圖案電極CO2/CO電化學反應機理
2.2.1實驗介紹
2.2.2電化學反應動力學參數
2.2.3反應速率控制步驟分析
2.2.4圖案電極基元反應模型
2.2.5圖案電極CO2/CO電化學反應機理
2.3圖案電極H2O/H2電化學反應機理
2.3.1電化學反應動力學參數
2.3.2反應速率控制步驟分析
2.3.3圖案電極基元反應模型
2.3.4圖案電極H2O/H2電化學反應機理
2.4本章小結
第3章 管式單元共電解H2O/CO2定向合成CH4研究
3.1概述
3.2管式SOEC常壓共電解H2O/CO2直接合成CH4實驗測試
3.2.1工作溫度和組分對電化學性能的影響
3.2.2工作溫度和組分對CH4生成特性的影響
3.3管式SOEC多物理場建模
3.3.1管式單元模型計算域與假設
3.3.2電化學反應動力學和電荷守恆方程
3.3.3多相催化反應動力學和品質守恆方程
3.3.4動量守恆方程
3.3.5能量守恆方程
3.3.6方程求解域和邊界條件
3.3.7模型參數、校準和驗證
3.3.8管式SOEC內部的基本分佈情況
3.4管式SOEC共電解H2O/CO2直接合成CH4的熱流設計
3.4.1流動模式對管式SOEC溫度分佈和CH4生成的影響
3.4.2熱流設計的實驗驗證
3.4.3入口氣流溫度對CH4生成的影響
3.5加壓管式共電解H2O/CO2直接合成CH4
3.5.1加壓管式單元反應器
3.5.2加壓管式單元實驗測試系統
3.5.3實驗步驟及內容
3.5.4工作壓力對電化學性能的影響
3.5.5工作壓力對CH4生成特性的影響
3.6中溫管式SOEC共電解H2O/CO2直接合成CH4
3.6.1中溫管式SOEC模型的實驗驗證
3.6.2LSGM和ZrO2材料體系管式SOEC對比
3.6.3中溫管式SOEC的熱中性運行
3.6.4中溫管式SOEC熱流設計優化
3.6.5中溫管式SOEC的加壓化運行
3.7本章小結
第4章 管式單元共電解H2O/CO2動態特性研究
4.1概述
4.2管式單元動態特性實驗
4.2.1實驗介紹
4.2.2管式單元動態特性
4.3管式單元動態模型分析
4.3.1動態模型驗證
4.3.2電壓階躍變化的影響
4.3.3入口氣體階躍變化的影響
4.4本章小結
第5章 可再生能源電力制取CH4儲能系統能效優化研究
5.1概述
5.2可再生能源電力合成CH4儲能系統建模
5.2.1電解池模組
5.2.2甲烷化反應器模組
5.2.3換熱器模組
5.2.4壓縮機/透平模組
5.2.5其他模組
5.2.6系統示意圖
5.2.7的計算
5.3基於路線1的不同電解技術的能效對比分析
5.4路線1和路線2的對比： 不同SOEC電解模式的系統能效分析
5.4.1電流密度的影響
5.4.2工作溫度的影響
5.4.3工作壓力的影響
5.5路線3： SOEC共電解H2O/CO2一步甲烷化的系統能效分析
5.5.1等溫型SOEC一步甲烷化反應器
5.5.2溫度梯度型SOEC一步甲烷化反應器
5.6本章小結
第6章風電與天然氣融合的儲能發電系統供能穩定性研究
6.1概述
6.2風電與天然氣融合的分散式儲能發電系統動態模擬建模
6.2.1風電模組和使用者負荷模組
6.2.2可逆固體氧化物電解池堆模組
6.2.3鋰離子電池儲能模組
6.2.4燃氣內燃機模組
6.2.5系統動態模擬平臺
6.2.6系統評價參數的定義
6.3RSOC的負荷跟隨特性與分級調節
6.4不同風電裝機容量融入的系統供能穩定性
6.5集成不同儲能技術的系統供能穩定性
6.6可再生能源與天然氣的融合互補儲能策略
6.6.1風電分配模式的影響
6.6.2RSOC和鋰離子電池聯合儲能
6.7本章小結
第7章總結與展望
7.1總結
7.2主要特色及創新點
7.3建議與展望
附錄A圖案電極基元反應建模方法
A.1模型假設
A.2基元反應與電荷轉移反應動力學
A.3電荷傳遞和品質傳遞
A.4邊界條件和模型求解
參考文獻
在學期間發表的學術論文與研究成果
致謝
