Transport Phenomena In Fuel Cells pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Computational Mechanics

作者:Sunden, B. (EDT)/ Faghri, M. (EDT)

出品人:

页数:358

译者:

出版时间:

价格:1992.00 元

装帧:HRD

isbn号码:9781853128400

丛书系列:

图书标签:

• Fuel Cells
• Transport Phenomena
• Electrochemical Engineering
• Mass Transport
• Heat Transfer
• Fluid Mechanics
• Energy Conversion
• Modeling
• Simulation
• Electrocatalysis

现代能源系统与可持续发展：材料、反应与过程强化 （图书名称：现代能源系统与可持续发展：材料、反应与过程强化） 图书简介 在21世纪，人类社会面临着前所未有的能源转型压力。化石燃料的依赖性带来的环境污染和气候变化问题，使得开发高效、清洁、可持续的能源技术成为全球科技和政策的重中之重。本书《现代能源系统与可持续发展：材料、反应与过程强化》旨在提供一个全面、深入的视角，聚焦于支撑未来能源基础设施的关键科学原理和工程实践，特别关注新型能源转换与存储技术的核心材料科学、电化学反应工程、以及过程强化的前沿进展。 本书的撰写根植于对当前能源挑战的深刻理解，并立足于跨学科研究的前沿交叉领域。它不仅仅是一本技术手册，更是一部面向能源科学家、化学工程师、材料学家以及政策制定者的高级参考书，旨在推动下一代能源技术的理论突破与工程应用。 第一部分：面向未来的能源材料科学 能源转换与存储的效率和寿命在根本上取决于所使用的材料。本部分将系统地探讨支撑新兴能源设备的关键功能性材料，并深入解析其结构-性能关系。 第一章：先进电催化剂的设计与表征 本章首先回顾了传统贵金属催化剂（如铂族金属）在氧还原反应（ORR）、析氧反应（OER）和析氢反应（HER）中的局限性，重点分析了其高成本和资源稀缺性问题。随后，本书详细阐述了非贵金属催化剂（NMPs），特别是基于过渡金属氮化物（TMDs）和单原子催化剂（SACs）的最新进展。我们不仅会讨论合成方法的创新，如原子层沉积（ALD）和热解技术，还将详细介绍先进的原位（in-situ）和准原位（operando）表征技术，如同步辐射X射线吸收谱学（XAS）和拉曼光谱，用以揭示催化反应活性位点的真实电子态和几何结构。本章将特别强调如何通过调控碳载体/活性位点界面的电子耦合作用，实现对反应能垒的精准调控。 第二章：固态电解质与界面稳定性 能源存储技术（如固态电池和高温燃料电池）对固态电解质的离子电导率和化学热力学稳定性提出了极高要求。本章集中讨论了高熵氧化物、硫化物和聚合物电解质的开发策略。内容包括：对晶界电阻的微观机制分析，以及如何利用掺杂、晶格畸变和高压合成技术来提升室温离子迁移率。特别地，本书对固态电池中“死界面”的形成机理进行了深入剖析，并提出了界面工程的解决方案，例如原位形成的稳定层（SEI/CEI）的应用，以抑制锂枝晶生长和电化学副反应。 第三章：多孔结构与传质优化 在燃料电池、电容器和吸附分离系统中，多孔结构（如泡沫、纤维和膜）是实现高效传质和反应的关键载体。本章采用计算流体力学（CFD）和微尺度成像技术，分析了孔隙率、连通性与宏观性能之间的定量关系。内容涵盖了先进的碳纸、碳布的制造工艺，以及如何通过3D打印技术实现定制化的、梯度孔隙结构的制造，从而在保证机械强度的同时，最小化反应物和产物的扩散阻力。 第二部分：电化学反应工程与过程强化 本部分将视角从材料转向实际的反应器设计与操作，重点探讨如何通过优化反应动力学和集成化设计来提升整体系统效率。 第四章：反应动力学建模与多尺度模拟 精准的反应动力学模型是放大和优化能源设备的基础。本章超越了传统的Tafel方程分析，深入探讨了多相反应界面的复杂动力学。内容包括：如何构建包含电子转移、物种吸附/脱附、表面重构的耦合模型。我们将详细介绍利用密度泛函理论（DFT）计算的反应势垒，并将其耦合到宏观的反应器模型中，实现跨越原子尺度到系统尺度的多尺度模拟。特别关注在非均匀电位分布下的局部过电位分析。 第五章：反应器设计与过程强化策略 过程强化（Process Intensification, PI）是实现紧凑化、高效率能源设备的关键路径。本章聚焦于微反应器技术和集成化系统设计。内容包括：如何利用微通道结构实现极高的表面积/体积比，以精确控制温度场和浓度梯度，有效抑制副反应。我们还将详细讨论电化学反应器与热管理系统的集成，例如使用反应热来驱动吸附/解吸过程的集成膜电极组件（IMEA）设计，旨在减少外部辅助系统的能耗。 第六章：电化学合成与碳中和目标 能源系统不仅要“减排”，更要实现“负排放”或“碳循环”。本章探讨了电催化二氧化碳还原（CO2RR）和水分解制氢（HER/OER）在实现碳中和目标中的核心地位。对于CO2RR，本书侧重于选择性控制，如何设计催化剂以高效地将CO2转化为高价值化学品（如CO、甲酸或短链醇类），同时解决产物分离的难题。对于制氢，重点在于新型电解槽（如AEM和SOEC）的运行稳定性与效率的提升，以及如何将其与可再生能源的间歇性特点进行动态匹配。 第三部分：系统集成、寿命评估与经济可行性 能源技术的成功转化依赖于其在真实环境下的可靠性和经济性。本书的最后部分将目光投向更广阔的系统层面。 第七章：电化学器件的衰退机理与寿命预测 材料的长期稳定性是商业化的主要障碍。本章系统梳理了燃料电池、电池和电解槽中的主要衰退模式，包括：催化剂团聚与烧结、电解质降解、膜的机械损伤以及寄生反应导致的不可逆容量损失。内容将结合加速老化测试（ALT）数据和电化学阻抗谱（EIS）分析，建立半经验与物理模型相结合的寿命预测框架，为设备维护和设计裕度提供科学依据。 第八章：系统集成与能源网络优化 现代能源系统不再是孤立的设备，而是复杂的网络节点。本章讨论了耦合可再生能源（风能、太阳能）的储能系统的系统级优化。内容涵盖：优化电解槽/燃料电池的动态运行策略以应对电网波动；储能与热能的级联利用（如热电联产）；以及利用先进控制算法（如模型预测控制, MPC）实现能源系统整体能源效率的最大化。 第九章：可持续性评估与生命周期分析（LCA） 任何“可持续”的技术都必须经过严格的生命周期评估。本章指导读者如何应用生命周期评价（LCA）方法学，全面评估新型能源技术的环境影响——从原材料的开采、设备的制造、运行到最终的回收处理。我们将比较不同技术路线在温室气体排放、水资源消耗和生态毒性方面的差异，为技术路线的选择提供量化的环境效益依据。 通过对这些核心科学问题的深入探讨，本书旨在为读者提供一个坚实的理论基础和前沿的研究视野，加速下一代清洁能源技术的研发与部署，从而有力支撑全球向碳中和社会的转型。本书的深度和广度，确保了其作为能源领域高级研究人员和工程师的必备参考价值。

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