LaNi_(0.6)Fe_(0.4)O_(3)阴极接触材料导电特性调控及其对SOFC电化学性能的影响

鉴于平板式固体氧化物燃料电池(SOFC)电堆对低面电阻、高稳定性阴极接触材料的需求,本研究阐明了LaNi_(0.6)Fe_(0.4)O_(3)(LNF)颗粒尺寸调控对导电和SOFC单电池性能演变的影响机制,优化了LNF预处理工艺,降低了接触组件面电阻,提升了SOFC单电池性能及热循环稳定性。结果表明:预压造粒的样品(LNF-2)与高温烧结预处理的样品(LNF-3)的面电阻更小,分别为0.074和0.076Ω·cm^(2);在750℃施加1 A/cm^(2)电流负载后,能够更快地进入稳态,并保持颗粒尺寸稳定。其中,LNF-2单电池在750℃下的峰值功率密度0.94 W/cm^(2)较未处理的LNF的0.66 W/cm^(2)高,但在热循环过程中性能衰减较大,下降了20%;而LNF-3单电池在20次热循环后峰值功率密度仅下降了4%。本研究对高可靠SOFC电堆装配及其长寿命稳定运行具有指导及参考价值。

基于SOFC的近零碳排放联合循环动力系统热力性能研究

基于传统富氧燃烧碳捕集的固体氧化物燃料电池(SOFC)发电系统,提出一种改进的新型近零碳排放的SOFC-燃气轮机(GT)-有机朗肯循环(ORC)系统。利用Aspen Plus软件和内嵌FORTRAN语言对系统进行建模,分析了阳极再循环、后燃烧室废气再循环、电流密度、燃料利用率和蒸汽碳比对系统性能的影响。结果显示,改进后的系统可以有效避免传统空气分离器功耗大、氧气分离率低等问题。在设计工况下,考虑碳捕集的SOFC-GT-ORC系统净发电功率为1304.09 kW,碳捕集摩尔流量为7.9 kmol/h,捕集纯度高达99.8%。净发电效率为75.68%,相比于传统系统提升了6.68%。采用阳极和后燃烧室废气再循环显著提升了SOFC电池堆发电效率,并且存在最佳循环比(R an=0.15和R cc=0.27),使得联合循环系统效率最高。系统发电效率随着燃料利用率的增大显著提升,电流密度和蒸汽碳比增加对系统发电性能不利。SOFC电池堆和换热器在系统中的损失较大,但换热器的优化潜力更大。

基于经验小波变换的SOFC泄漏故障诊断

固体氧化物燃料电池(SOFC)电堆通常在700℃以上的高温下工作。电堆所用密封剂在高温下易退化失效,导致泄漏故障,引发电堆的热失控和损坏,影响系统运行稳定性。提出一种基于电堆温度和电压信号的经验小波变换(EWT)诊断方法。通过EWT分解温度和电压信号,得到多分辨率分析(MRA),分析其中故障特征明显的MRA信号,求出时域特征,通过设定的阈值判断是否发生泄漏。通过千瓦级电堆实验平台数据,验证EWT诊断方法可较好地检测电堆泄漏故障,且相较于电压信号,温度信号的诊断更迅速。与集合经验模态分解诊断方法相比,EWT方法可更快地诊断出泄漏故障。

融合自注意力的SOFC表面缺陷图像分割

固体氧化物燃料电池(SOFC)表面缺陷的图像分割,对单片SOFC质量检测具有重要意义.针对单片SOFC表面缺陷图像边缘模糊、背景复杂等问题,提出一种融合自注意力的SOFC表面缺陷图像分割方法.首先,提出多通道自注意力模块,以增强多通道间关联和提升通道表示;其次,利用多尺度注意力融合模块,进一步提升网络对不同尺度缺陷特征的提取能力;最后,提出三元联合损失函数对训练过程进行监督.实验表明,提出方法在提升网络分割性能的同时可有效提取单片SOFC表面缺陷.

基于SOFC尾气供热的甲烷重整制氢反应器模拟及实验研究

设计了一种千瓦级新型甲烷重整制氢反应器,采用固态氧化物燃料电池尾气供热,充分利用尾气中的余热和可燃成分,构成紧凑的高效天然气发电系统。采用计算流体力学(CFD)对反应器内燃烧及重整反应进行了数值模拟,结果表明:固态氧化物燃料电池阳极和阴极尾气能够在反应器中稳定燃烧,形成1 486℃高温火焰,为甲烷水蒸气重整反应供热;重整管内水蒸气和甲烷体积分数沿程不断降低,由于水蒸气过量,出口处水蒸气体积分数为35%,出口氢气体积分数为45%,甲烷转化率达到90%左右;镍催化剂具有很高的导热系数,因此重整管内外温差小于15℃;利用实验获得了反应器内温度、甲烷体积分数及甲烷转化率等数据,对比模拟结果验证了数值模拟的准确性。

LaFeO_(3)基SOFC阴极改性的研究进展

作为固体氧化物燃料电池(SOFC)的重要组成部分,阴极性能的优劣影响电池的工作效率。钙钛矿型LaFeO_(3)基半导体材料具有特殊的电子-离子混合导电性质,是一种潜在的SOFC阴极材料。综述提高阴极材料性能的策略,按掺杂位置,介绍在LaFeO_(3)的A、B位单独掺杂和共掺杂时,采用的掺杂元素和掺杂量,并介绍纳米化、A位缺陷等修饰手段。分析改性对材料热膨胀系数、极化电阻、电化学效率和氧还原反应等性能的影响。

以NH_(3)为燃料的船用SOFC-GT混合动力系统特性分析

文章设计了以氨为燃料的船用SOFC-GT混合动力系统,建立了混合动力系统的模型。对氨流量和氨分解器入口温度对氨分解转化率的影响进行了分析,并在燃料电池温度梯度、压气机喘振安全区和透平入口温度等限制条件下,研究了氨流量和氨分解器入口温度对混合动力系统性能的影响。研究结果表明:混合动力系统的输出功率可达到350.5 kW,发电效率可达到62.40%;当氨分解器入口温度高于1050 K时,氨分解转化率接近100%;其他运行条件不变时,氨分解转化率随氨流量的提升呈降低趋势,当氨分解器入口温度较高时,氨流量对氨分解转化率下降的影响逐渐减小;当氨流量逐渐接近1.80 mol/s时,燃料电池、燃气轮机以及系统的性能均随着氨流量的提升而逐渐升高,但氨流量不宜过高,当氨流量达到1.80 mol/s时,透平入口温度已超出安全运行范围;在其他运行条件为设计工况时,随着氨分解器入口温度逐渐升至1129 K,系统整体性能随之提升。

航空用SOFC与锂电池混合动力系统优化设计

为了满足航空领域飞机飞行过程中的变负载需求,并获得飞机全飞行过程中的高效能量供给方案,本文搭建了直接氨固体氧化物燃料电池(Solid oxide fuel,cells,SOFC)-锂电池混合动力系统架构,采用基于规则的能量分配策略,开展了典型飞行任务中系统参数的匹配方法和海拔高度对混动系统性能的影响,以及典型飞行包线中混合动力系统的效率和功重比等参数的影响研究。结果表明:以BAe.146四发涡扇短程运输机的飞行为例,系统净发电效率为53.32%,功重比为0.4913 kW/kg,且SOFC系统输出功率和发电效率随着海拔上升而下降。这表明直接氨SOFC-锂电池混合动力系统能够满足不同飞行阶段的能量需求,也为混合动力系统在不同飞行高度下的优化设计提供了重要依据。

基于SOFC-GT的长江流域货船推进系统特性分析

为了探索柴油燃料在船舶航运中的清洁化利用的新路径,建立基于固体氧化物燃料电池-燃气轮机(SOFC-GT)混合动力系统的船舶推进系统,结合柴油的裂解和重整以及各部件安全运行边界约束,研究工作参数对混合动力系统性能的影响,得到不同航道水流速、风速以及航行速度下混合动力系统运行规律。结果表明:在额定工况下,该船舶SOFC-GT推进系统功率为2458k W,燃料消耗为0.092 kg/s,效率可达56.33%。采用阳极再循环可将系统的效率提高9.91%,但为了避免SOFC工作温度过高,再循环比不能超过0.45。燃空比和水碳比的安全调节范围分别为0.0295~0.0677和1.6~3.5,SOFC-GT系统在安全区域内功率的上下限分别为460.6 kW~1 229.0 kW和1 007.0 kW~1 178.0 kW,取得上下限时的系统效率分别为49.09%~56.41%和47.69%~56.82%,可以实现宽工况调节。货船SOFC-GT推进系统相比传统柴油机,在长江流域不同水流速度、风速和航行速度下,展现出更高的效率和续航能力,效率提升可达15.5%。

工业尺寸阳极支撑SOFC亚微米GDC隔离层的制备及性能

氧化钆掺杂氧化铈(GDC)隔离层是固体氧化物燃料电池(SOFC)的重要组成部分,可以有效地阻止高性能阴极La_(0.6)Sr_(0.4)Co_(0.2)Fe_(0.8)O_(3-δ)(LSCF)和Y_(0.16)Zr_(0.84)O_(2-δ)(YSZ)电解质之间的副反应。但通过传统湿法陶瓷技术制备的GDC隔离层致密度低、厚度大,不仅不能有效阻止Sr等元素的扩散,还会增大电池的欧姆阻抗;而先进镀膜技术虽可以制备致密的GDC隔离层,但其工业成本高,推广应用困难,对于非平板型电池电解质表面的适应性较差。在前期研究工作中,提出了一种制备致密GDC隔离层的新方法,通过水热原位生长在YSZ电解质表面成功生长了超薄致密的GDC隔离层,制得的阳极支撑体单电池也具有良好的电化学性能。在此基础上,将水热溶液体积放大60倍,在10 cm×10 cm级工业尺寸阳极支撑单电池YSZ电解质表面成功制备了0.7μm厚的连续致密GDC隔离层,构建了GDC/YSZ双层电解质,显著降低了单电池面电阻,提高了输出性能。在720℃,单电池在0.7 V工况的输出功率达到了61.6 W,实现了工业尺寸SOFC单电池致密GDC隔离层的低成本制备和高性能输出,验证了水热原位生长技术的工业应用可行性。

SOFC阴极空气预热器耦合传热特性及参数影响分析

针对固体氧化物燃料电池(SOFC)高温区碳化硅基阴极空气预热器这一新型换热设备,开展极高温工况下的烟气-空气的辐射-导热-对流耦合传热特性及参数影响分析,基于ANSYS Fluent采用DO模型分析高温气体辐射换热及气体吸收系数对换热器性能的影响,并与S2S模型及不考虑辐射换热模型的计算结果进行对比;同时研究了壁面发射率及烟气进口温度对耦合传热的影响规律。结果表明,烟气进口温度800~1100℃条件下,辐射换热的影响较大,但烟气吸收系数及气体辐射的影响可以忽略;壁面发射率、烟气入口温度对耦合传热的影响非常明显,壁面发射率和烟气入口温度越高,空气出口温度越高。研究结果可为碳化硅基阴极空气预热器的设计提供理论依据。

电泳沉积法在SOFC阳极材料制备方面的应用

采用电泳沉积法制备了NiO、YSZ、PS单体系悬浮液,研究了聚合物型表面活性剂PEI对悬浮颗粒的分散效果,描述了添加PS含量后的沉积过程和规律,并从工艺角度出发,研究了PS含量对NiO和YSZ复合体系悬浮液颗粒粒径、沉积形貌和样品气孔率的影响。

缓冲溶液法制备SOFC用Ni/YSZ负极材料

固体氧化物燃料电池 (SOFC)用负极材料Ni/YSZ金属陶瓷的性能与其微观结构密切相关 .采用缓冲溶液法制备了三种Ni/YSZ金属陶瓷 ,并对其相组成、显微结构及电性能进行了表征 .分析表明 ,与机械混合法相比 ,缓冲溶液法能够使Ni在YSZ基质中分布更均匀 .相应地 ,在整个测试温度区间内 (836～1188℃ ) ,由缓冲溶液法制备的w (Ni)为 43 %的试样B - 43的电导率均远高于由传统的机械混合法制备的同一组成的试样M - 43.B - 43试样在 10 0 0℃的电导率为 70 9.73S·cm-1。

甘氨酸-硝酸盐法制备中温SOFC电解质及电极材料

采用一种新的燃烧合成陶瓷粉末的方法——甘氨酸 -硝酸盐法合成中温 SOFC所有元件的初始粉体 ,电池的电解质材料是 (Ce O2 ) x(Sm O1 .5) 1 - x(x=0 .9,0 .85 ,0 .8) ,阳极材料是掺 (Ce O2 ) 0 .8(Sm O1 . 5) 0 .2 (SDC)的Ni O,阴极材料是 SDC与 La0 .6 Sr0 .4 Fe0 .8Co0 .2 O3的复合材料 .其中以 (Ce O2 ) 0 .9(Sm O1 .5) 0 .1 为电解质的单电池性能最好 ,在 75 0℃时短路电流密度为 0 .5 A/cm2 ,最大功率密度达 0 .1 0 4W/cm2 .通过 SEM结果分析 ,掺杂摩尔分数 2 0 % Sm O1 .5的电解质晶界非常明显 ,而掺杂 1 0 %的电解质晶界有很强的融合消失的趋势 .

钙掺杂的氧化铈用于中温SOFCs阳极材料研究

作为一种混合的离子-电子导体材料,掺杂的氧化铈已逐渐被用来作为SOFCs阳极材料或其组成部分之一加以研究,但主要以稀土掺杂剂为主,为了进一步降低采用阳极支撑构型的SOFCs的成本,研究了钙掺杂的氧化铈(CCO)。结果表明,掺杂20%钙的材料(20CCO)的电导率最高,850℃时在氢气气氛下的电导率可以达到0.209S·cm-1,远大于在空气气氛中的电导率。800℃时在空气中的电导率为0.041S·cm-1,比同样温度下阳极中经常采用的钐掺杂的氧化铈(SDC)的电导率低了约0.04S·cm-1。但这并不影响单电池的输出性能,分别以Ni-20CCO作为阳极,Sm0.5Sr0.5Co-SDC作为阴极,SDC作为电解质(厚约35μm)的单电池在650℃,氢气气氛下的最大输出功率可以达到623mW·cm-2。

Sm_(0.5)Sr_(0.5)Co_(0.4)M_(0.6)O_3(M=Co,Mn,Fe)作为IT-SOFCs阴极的结构与性能

通过X射线衍射(XRD)、热重、热膨胀、电导率以及交流阻抗等测试方法,研究了Sm0.5Sr0.5Co0.4M0.6O3(M=Co,Mn,Fe;分别简写为SSCC,SSCM,SSCF)作为中低温固体氧化物燃料电池(IT-SOFCs)阴极的结构与性能.研究表明,固相法合成的Sm0.5Sr0.5Co0.4M0.6O3均为正交钙钛矿型结构,材料的结构参数和性能都与M元素半径及M—O的键能有关.晶胞参数随着Co、Mn、Fe的顺序增大.材料的氧空位浓度、热膨胀系数、电导率、电极催化活性随着Co、Fe、Mn的顺序降低.同时由于SSCM较低的氧空位浓度,使得电极反应受到氧在电极内的扩散过程控制,具有较差的电极催化性能,而SSCC和SSCF较高的氧空位浓度,电极反应同时受到电极表面氧还原反应和氧离子在电极中的扩散过程混合控制.由于SSCF具有较高的氧扩散系数,使得700℃以上SSCF电极表面氧还原电阻(ASR)也低于SSCC的,因而出现了SSCF的总电极催化活性高于SSCC的现象.

火电厂和IGCC及煤气化SOFC混合循环减排CO_2的分析

二氧化碳减排已经成为缓解全球气候变化的一个重要议题 .目前 ,火电厂排放的 CO2约占中国 CO2 排放量的 1 /3左右 ,减少其 CO2 排放可以通过提高能量转化效率和回收封存 CO2 两种主要方式 .常规锅炉汽机电厂、IGCC以及煤气化 -固体氧化物燃料电池 ( SOFC)混合循环分别代表了现在、近期及未来燃煤电厂的典型配置 ,超临界及超超临界电厂效率可以达到 40 %以上 ,采用GEH型等先进燃气轮机的 IGCC可提高到 5 0 %以上 ,而混合循环电厂的效率则有望达到 60 %以上 .利用 Aspen Plus TM对这三种电厂进行了模拟 ,考察了三者在回收 CO2 前后性能的变化 .在此基础上 ,分析了减排 CO2 及征收排放税等措施对各电厂发电成本的影响 ,进而就未来如何促进电厂减排 CO2 进行了探讨 .

中低温固体氧化物燃料电池(SOFC)电解质材料

在固体氧化物燃料电池（ＳＯＦＣ）研究中，中低温ＳＯＦＣ的研究日益受到人们的重视，研究热点主要集中在电解质材料及其薄膜制备，主要包括锆基电解质薄膜（１～２０μｍ），铈基电解质，铋基电解质以及复合氧化物电解质材料的研究，其ＳＯＦＣ操作温度一般在５００～８００℃。其中以各种掺杂铈基电解质研究最多，而且在中低温ＳＯＦＣ应用中已显示出一定的潜在优势。

空气等离子喷涂板式SOFC连接体保护涂层的性能(英文)

在中温平板型固体氧化物燃料电池(ITSOFC)设计中,可以采用金属作为连接材料。Fe-16Cr合金是较为理想的金属连接材料,它存在的主要问题是连接体阴极侧表面的高温氧化和腐蚀,会导致电池性能的迅速降低。本研究采用空气等离子喷涂的方法喷涂了La0.8Sr0.2MnO3-σ(LSM)钙钛矿型保护涂层在金属连接板的表面,并讨论了主要过程参数及其作用效果。研究发现,喷涂后热处理是降低涂层孔隙率的有效方法,经喷涂-热处理后,涂层的孔隙率可降至1%以下。等离子喷涂LSM保护涂层后,Fe-16Cr合金的耐高温氧化性能明显提高,氧化速率降低了76%。

SOFC分布式热电联供系统的性能研究

对固体氧化物燃料电池(SOFC)热电联供系统(CHP)进行了研究,建立了各个组件的数学模型,并应用Matlab软件实现了系统的计算机模拟。以发电规模为20 kW的系统为研究对象,对其设计工况和运行工况进行了性能模拟,模拟结果表明,在设计点工况,系统的联供效率可达89%,系统中空气侧压缩机的功率消耗最大;在运行工况下,减小燃料利用率或增加过量空气比率均使系统的热、电效率下降,两参数对系统热效率的影响程度相当且较为显著,而燃料利用对发电效率的影响更为敏感,若需获得较高的发电效率,建议系统采取高燃料利用率的操作策略,若需获得较高的热效率,建议采取高燃料利用率或者在电堆允许的温差应力下降低过量空气比率的操作策略。整个研究工作为固体氧化物燃料电池热电联供系统的设计和操作提供了指导。