本书针对SOFC及其动力系统，介绍了高温电化学动力发电领域的相关基础知识、关键技术与前沿方向。具体来说，本书首先介绍了面向动态负荷的SOFC电池及电堆技术，如金属支撑SOFC、管式SOFC、微管式SOFC（第2～4章主要内容）；随后探讨了面向性能及寿命提升的SOFC多物理场管控与检测诊断技术（第5章主要内容）；最后阐述了面向系统集成的燃料处理、集成控制、应用技术等（第6、8、9章主要内容），此外，本书还以航空动力领域为例阐述了SOFC在典型动力系统中的应用（第7章主要内容）。
本书主要面向高等院校、研究机构以及相关企业从事固体氧化物燃料电池研究与应用工作的读者。本书既可以作为能源动力相关专业的研究生教材，也可作为固体氧化物燃料电池动力系统研发的参考书籍。

丛书编委会
丛书序
序
前言
第1章 绪论
1.1 SOFC工作原理
1.2 SOFC应用领域与发展现状
1.3 SOFC动力系统挑战
参考文献
第2章 金属支撑SOFC
2.1 概述
2.1.1 结构及技术特点
2.1.2 技术现状
2.2 金属材料及其防护技术
2.2.1 支撑体材料
2.2.2 支撑体加工方法
2.2.3 连接体
2.3 电解质制备方法
2.3.1 低温烧结制备技术
2.3.2 涂层制备技术
2.4 电堆集成及应用
2.4.1 典型金属支撑电堆集成关键技术
2.4.2 电堆集成现状
参考文献
第3章 管式SOFC
3.1 发展概况
3.2 管式SOFC材料与制备工艺
3.2.1 阴极支撑管式SOFC
3.2.2 阳极支撑管式SOFC
3.3 管式SOFC组堆与系统集成技术
3.3.1 组堆技术
3.3.2 系统集成技术
3.4 稳/动态特性
3.4.1 管式SOFC单元参数分布特性
3.4.2 管式SOFC发电特征
3.4.3 管式SOFC发电系统稳/动态特性
3.5 动力系统中的典型应用
参考文献
第4章 微管式SOFC
4.1 发展概况
4.2 制备工艺
4.2.1 支撑体制备
4.2.2 电解质膜制备
4.2.3 烧结特性
4.3 批量化生产
4.3.1 挤出成形法制备阳极管
4.3.2 功能薄膜
4.3.3 批量烧结
4.4 组堆技术
4.4.1 密封解决方案
4.4.2 集流设计及实施
4.4.3 尾气催化处理
4.5 稳态/动态性能
4.5.1 启动时间和冷热循环
4.5.2 稳态-动态性能
4.6 移动便携系统中的典型应用
参考文献
第5章 SOFC电堆多物理场管控与检测诊断
5.1 多尺度模拟技术
5.1.1 电极反应机理模型
5.1.2 电池单元模拟
5.1.3 电堆模拟
5.2 电堆热管理
5.2.1 电堆产热与散热机制
5.2.2 电堆热管理技术
5.3 性能检测与故障诊断技术
参考文献
第6章 SOFC动力系统与应用
6.1 系统结构
6.1.1 燃料供给与处理子系统
6.1.2 发电子系统
6.1.3 热管理子系统
6.1.4 电力调控子系统
6.2 典型系统设计与集成
6.2.1 SOFC-电池动力系统
6.2.2 SOFC-热机混合循环动力系统
6.3 典型SOFC动力系统模拟
6.3.1 零维BOP部件模型
6.3.2 SOFC模型
6.3.3 其他SOFC模型及系统模拟
6.4 新型SOFC与应用
6.4.1 直接火焰燃料电池
6.4.2 直接氨燃料电池
参考文献
第7章 SOFC在航空动力领域的应用
7.1 飞行汽车等航空领域运载工具对动力的需求
7.1.1 飞行汽车简介
7.1.2 飞行汽车运行特点及对动力的需求
7.2 固体氧化物燃料电池在航空动力的应用
7.2.1 NASA格林中心SOFC航空动力研究
7.2.2 高抗热震性固体氧化物燃料电池研究
7.2.3 SOFC/GT航空动力系统模拟研究
7.3 固体氧化物燃料电池涡电动力
7.3.1 SOFC涡电动力概述
7.3.2 SOFC涡电动力热力学模型
7.3.3 SOFC涡电动力系统参数敏感性分析与设计
7.4 应用于航空动力的SOFC小结与展望
7.4.1 高压力条件下稳定运行的SOFC电堆研发
7.4.2 大功率高功率密度SOFC动力系统研究
7.4.3 SOFC涡电动力热管理研究
参考文献
第8章 燃料处理技术
8.1 燃料前处理技术
8.1.1 前处理技术介绍
8.1.2 不同燃料的前处理技术
8.1.3 积炭
8.2 尾气后处理技术
参考文献
第9章 SOFC动力系统控制
9.1 安全运行区域
9.2 部分负荷和非设计工况运行
9.3 动态机理模型与负载跟随
9.3.1 动态机理模型
9.3.2 负载跟随
9.4 动态模型辨识
9.5 控制策略与控制器设计
9.5.1 控制策略
9.5.2 分散控制
9.5.3 集中控制
9.6 半实物仿真
参考文献

丛书序
2022年1月，国家发展改革委印发《“十四五”新
型储能发展实施方案》，其中指出到2025年，氢储能等
长时间尺度储能技术要取得突破；开展氢（氨）储能关
键核心技术、装备和集成优化设计研究。2022年3月，
国家发展改革委、国家能源局联合印发《氢能产业发展
中长期规划（2021—2035年）》，明确了氢的能源属性
，是未来国家能源体系的组成部分，充分发挥氢能清洁
低碳特点，推动交通、工业等用能终端和高耗能、高排
放行业绿色低碳转型。同时，明确氢能是战略性新兴产
业的重点方向，是构建绿色低碳产业体系、打造产业转
型升级的新增长点。
当前我国担负碳达峰、碳中和等迫切的战略任务，
交通领域的低排放乃至零排放成为实现碳中和目标的重
要突破口。氢能燃料电池已经体现出了在下一代交通工
具动力系统中取代传统能源动力的巨大潜力，发展氢能
燃料电池必将成为我国交通强国和制造强国建设的必要
支撑，是构建清洁低碳、安全高效的现代交通体系的关
键一环，也是加快我国技术创新和带动全产业链高质量
发展的必然选择。
本丛书共5个分册，全面介绍了质子交换膜燃料电
池和固体氧化物燃料电池动力系统的原理和工作机制，
系统总结了其设计、制造、测试和运行过程中的关键问
题，深入探索了其动态控制、寿命衰减过程和优化方法
，对于发展安全高效、低成本、长寿命的燃料电池动力
系统具有重要意义。
本丛书系统总结了近几年“新能源汽车”重点专项
中关于燃料电池动力系统取得的基础理论、关键技术和
装备成果，另外在推广氢能燃料电池研究成果的基础上
，助力推进燃料电池利用技术理论、应用和产业发展。
随着全球氢能燃料电池的高度关注度和研发力度的提高
，氢燃料电池动力系统正逐步走向商业化和市场化，社
会迫切需要系统化图书提供知识动力与智慧支持。在碳
中和交通面临机遇与挑战的重要时刻，本丛书能够在燃
料电池产业快速发展阶段为研发人员提供智力支持，促
进氢能利用技术创新，能够为培养更多的人才做出贡献
。它也将助力发展“碳中和”的国家战略，为加速在交
通领域实现“碳中和”目标提供知识动力，为落实近零
排放交通工具的推广应用、促进中国新能源汽车产业的
健康持续发展、促进民族汽车工业的发展做出贡献。
丛书编委会　　
序
气候变化是当今人类面临的重大挑战之一，已成为
全球性的非传统安全问题，严重威胁着人类的生存和可
持续发展。2020年9月，我国宣布二氧化碳排放力争于
2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。碳
中和是一场绿色革命，在交通领域，发展变革性的动力
技术是构建清洁低碳、安全高效现代交通体系的关键。
燃料电池因其清洁、高效的特点，正在成为推动能源与
动力领域变革的重要技术，有望在车辆、船舶、飞机等
的下一代动力技术领域发挥重要作用。
在动力领域，质子交换膜燃料电池（PEMFC）的研
发与示范最为活跃，而高温固体氧化物燃料电池（SOFC
）由于其陶瓷材料体系和较高的运行温度，在相当长的
时间内都被认为更适用于固定式发电系统。然而，高温
也带来了燃料适应性广、发电效率高的独特优势。从燃
料的角度，SOFC不仅可以吃“细粮”（氢气），也可以
吃“粗粮”（碳氢燃料），与现有的能源体系更加兼容
；可以降低对氢净化、储运的需求；从效率的角度，
SOFC系统效率可达50%以上，而利用尾气余热与传统燃
烧热机耦合，有望实现更高的系统效率。
当SOFC应用于动力系统时，亟需解决动态响应慢、
体积/质量功率密度低等瓶颈问题。近年来，国内外科
研院所以及企业在材料、装备、系统方向持续攻关，涌
现了一批新的电池、电堆技术，SOFC开始在无人机动力
、重卡辅助动力等领域崭露头角。本书从SOFC动力系统
的独特需求出发，系统梳理了电池、电堆与系统层面相
关的研发进展与重要成果。
在电池层面，本书重点关注了具有强抗热震性、可
实现快速启停的几类电池技术，例如金属支撑SOFC、（
微）管式SOFC等。这些技术的突破使得SOFC的启动时间
从传统的小时量级显著降低到分钟量级，为解决SOFC的
启动难题带来了曙光。在电堆与系统层面，移动端的应
用对热管理、燃料在线处理、系统集成控制等提出了更
高的要求。这在本质上是不同时间尺度反应与传递过程
的耦合匹配问题，本书后半部分从多场管控角度出发，
对上述问题进行了深入分析。
随着氢能与燃料电池技术的迅猛发展，已见多本有
关SOFC的专著出版，而本书独具特色，是少有的面向动
力系统需求的著作，也是丛书中唯一一本聚焦SOFC动力
的书籍。本书的编著团队汇聚了在此领域深耕多年的专
家学者，全书内容丰富、深入浅出，为传统动力与新能
源动力相关的研究者提供了SOFC动力系统技术的全面视
角。
黄震　
上海交通大学讲席教授　　
碳中和发展研究院院长　　
2023年1月

固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种清洁、高效的发电技术，将在未来的能源、电力、运输等国民经济领域发挥重要作用。SOFC发电过程突破卡诺循环的限制，发电效率可达50%以上，同时其尾气余热能级高，可进一步与燃气轮机结合组成混合动力系统，系统发电效率可达80%以上，被公认为是最具潜力的动力发电技术之一。此外，SOFC高温操作使其可以利用煤气化合成气、天然气甚至汽油、柴油等作为燃料，在发电过程中避免高污染的燃烧环节，能够实现污染物近零排放及CO2高浓度富集，是面向碳中和及动力系统减排需求的变革性碳基燃料发电技术。
本书是针对固体氧化物燃料电池技术进行较为全面介绍和论述的一本专著，从原理、应用、诊断、到系统控制、设计、半实物仿真，对当前固体氧化物燃料电池技术的研究进展和趋势进行了非常全面的介绍，可以说，这本书是目前想要了解固体氧化物燃料电池技术的首选读物。