便携式装置中双凸台取电微管式固体氧化物燃料电池数值模拟及实验验证

本工作利用甲醇水蒸气重整制氢和管式固体氧化物燃料电池的各自优势,设计了一种甲醇水蒸气重整制氢(MSR)耦合微管式固体氧化物燃料电池(μT-SOFC)便携式制氢发电装置。使用COMSOL Multiphysics有限元仿真软件建立双凸台取电的μT-SOFC数学模型并验证模型(误差率小于5%)。仿真结果表明双凸台取电方式可高效地收集电流,不同电压下电池整体具有较小的温度差。MSR催化剂和阳极支撑型μT-SOFC分别使用浸渍法和挤出成型-浸浆工艺制备。借助场发射扫描电子显微镜和能谱分析技术表征MSR催化剂和μT-SOFC材料特性。借助气相色谱仪分析MSR产物气体成分,分析得到氢气体积分数接近70%。便携式装置使用步进电机控制甲醇水溶液进液流量,可获得不同的MSR气体产物体积流量,平均最高可达1163 mL/min。应用于装置中的μT-SOFC开路电压为0.96 V,最大输出功率密度为190 mW/cm~2。电池在模拟实际使用4小时后,其电化学性能基本没有发生衰减。同时对此工况下的电池进行仿真,仿真结果表明,电池性能主要受MSR转化效率的限制,改变空气进气方向可提高电池输出功率。目前关于微管式燃料电池及其设备的应用研究甚少,本工作对μT-SOFC在便携式装置中的应用具有指导作用。