单气室固体氧化物燃料电池的研究及进展

单气室固体氧化物燃料电池是一种工作在燃料和空气混合气氛下的新型燃料电池。它是利用阳极和阴极对工作气体的选择性电催化的差异来工作的。最近几年,单气室固体氧化物燃料电池得到了快速发展并出现了一些新的趋势,重点评述了在电池结构、电极材料和影响因素等方面的研究进展。

单气室固体氧化物燃料电池的材料、微堆结构与相关应用

单气室固体氧化物燃料电池(SC-SOFC)是一种整个电池处在单一气室中,阳极和阴极分别对混合气体中的燃料和氧气进行选择催化产生电动势的特殊结构燃料电池.SC-SOFC因其独特的原理和结构而具有无需密封、易于堆叠、可以快速启动和不易发生积碳等诸多优点,有很大的应用潜力.作者在SC-SOFC的原理和特点的基础上,系统地总结了SC-SOFC所用材料、微堆结构设计、衰退机制及应用方面的研究进展;以提高SC-SOFC微堆的输出电压和功率为目的,改进预混气体环境下运行的微堆结构,采取星型布局的四电池微堆其输出功率提高到420 m W;随后,逐步改进供气方式,结合计算流体力学数值模拟研究,提出了单路多点供气和双路多点供气模式,成功地将单个SC-SOFC微堆模块的输出功率提升到8.178 W,进而开展了微堆模块外部串并联和与燃烧器的结合实验验证.研究结果表明,SC-SOFC可以很便捷地连接成微堆模块并产生数瓦的输出功率,未来有望用于以供热为主型的热电联供系统.作者还借助原位电阻和开路电压的原位同步测试,阐明了Ni在CH4-O2气氛中的反复氧化-还原循环是SC-SOFC发生不可逆衰退的主要机制,这一发现后来催生出氧化-还原法制备多孔金属的新技术.

阳极支撑型单气室固体氧化物燃料电池的性能

使用浆料旋涂法制备了致密氧化钇稳定的氧化锆电解质薄膜,进而组装成阳极支撑型单气室固体氧化物燃料电池.该电池在CH4,N2和O2混合气氛下运行,可产生很高的输出性能.在700℃时开路电压达到1 V,最大功率密度达到398 mW/cm2.在开路状态下,电池的欧姆电阻为0.097Ω.cm2,仅为电极阻抗的6.4%,远小于电极极化电阻.通过优化电极材料,阳极支撑型单气室固体氧化物燃料电池将具有更优异的输出性能和更广阔的应用前景.

基于CuO-ZnO的低温固体氧化物燃料电池性能

制备具有优异离子导电性和低温高化学性能的电解质是固体氧化物燃料电池实际应用的重要发展方向.基于p型CuO和n型ZnO构建p-n半导体异质结材料,并将其作为电解质应用于低温固体氧化物燃料电池.制备了不同质量比例CuO-ZnO的电解质材料,并组装Ni_(0.8) Co_(0.15)Al_(0.05)LiO_(2-δ)/CuO-ZnO/Ni_(0.8)Co_(0.15)Al_(0.05)LiO_(2-δ)单电池进行性能测试.结果表明,基于纯ZnO电解质材料的燃料电池性能最低(在550℃开路电压为为0.8 V,最大功率密度为187.5mW/cm^(2)),复合质量比例为1∶9的燃料电池性能最为优异(在550℃开路电压为1.065V,瞬时最大功率密度为555mW/cm^(2)).通过对CuO-ZnO异质结复合材料的电化学阻抗分析,发现构建的p-n半导体异质结为离子传输提供了通道,提高了离子电导率.研究表明p-n型电解质复合材料在低温固体氧化物燃料电池的应用中具有很大潜力.

钙和铁共掺杂PrBaCo_(2)O_(5+δ)作为固体氧化物燃料电池阴极的研究

固体氧化物燃料电池(SOFC)作为一种高效的能量转化装置,具有广阔的应用前景。阴极的反应动力学和稳定性在SOFC中具有非常重要的意义。采用固相法合成了具有四方相的双钙钛矿结构的PrBa_(0.8)Ca_(0.2)Co_(1.5)Fe_(0.5)O_(5+δ)(PBCCF)。Ca离子和Fe离子的掺杂有效降低了PrBaCo_(2)O_(5+δ)的热膨胀系数。结构为PBCCF|GDC|SSZ|GDC|PBCCF的对称半电池在800℃时的极化阻抗为0.082Ω·cm^(2),表明PBCCF阴极在电化学反应过程中具有较高的催化活性。将PBCCF作为阴极丝网印刷在NiO-YSZ|YSZ|GDC结构的半电池(其中NiO-YSZ阳极支撑体和YSZ为电解质通过流延-叠层热压法制成,Gd_(0.2)Ce_(0.8)O_(1.9)(GDC)阻挡层通过丝网印刷法制成)上制备得到单电池,该电池在800℃时的功率密度可达1.0 W/cm^(2)。同时,单电池在60 h的短期稳定性测试中较为稳定。研究结果表明,PBCCF是一种非常有前景的SOFC阴极材料。

双钙钛矿氧化物Ba_(2)Fe_(1.3)Mo_(0.7)O_(6-δ)作固体氧化物燃料电池阳极的研究

通过改变Ba_(2)FeMoO_(6)-δ(BFM)中Fe与Mo的物质的量比调控双钙钛矿晶格B位有序性,制备了一种高性能新型SOFC双钙钛矿阳极材料Ba_(2)Fe_(1.3)Mo_(0.7)O_(6-δ)(BFM_(0.7))。结果表明,BFM0.7在H2中600~800℃的电导率为15.0~20.0 S/cm,远高于SOFC电极的最低标准(0.1 S/cm)。BFM0.7用作SOFC阳极时,单电池在850℃的最大功率密度和极化阻抗分别为1 149 mW/cm^(2)和0.15Ω·cm^(2)。相比于BFM阳极,BFM0.7的性能显著提高。此外,BFM0.7阳极电池连续工作39 h性能无衰减,表明BFM0.7阳极具有优异的电化学稳定性。

甲烷固体氧化物燃料电池的多物理场耦合积碳模型

烃类燃料的直接使用造成固体氧化物燃料电池(SOFC)阳极积碳并导致性能下降的严峻问题,开展积碳原因分析并采取减少积碳形成的措施是加快固体氧化物燃料电池商业化的重要课题。提出三维瞬态多物理场耦合积碳模型,通过仿真模型计算,研究不同条件、不同参数对固体氧化物燃料电池性能的影响,以评估电池的长期性能。在电池工作电压和积碳速率方面,计算结果与已有试验结果吻合较好。结果表明,随着积碳含量增加,阳极电极材料的孔隙率将减小,催化剂活性降低。当预重整程度降低、入口速度增加、操作温度增加、工作电压下降和燃料中氢气比例增大,积碳量均呈上升趋势。通常来说,积碳的增加会造成电池性能下降,如预重整程度的降低及入口速度的增加符合这一趋势。操作温度增加、工作电压下降和燃料中氢气比例增加虽然也会造成积碳量增加、电性能衰减严重,但电池性能呈上升趋势。研究表明,这一现象与甲烷裂解反应关系密切。

基于专利的固体氧化物燃料电池技术趋势分析

固体氧化物燃料电池(SOFC)作为一种在高温下将燃料中的化学能直接转化为电能的发电装置,具有能量转化效率高、燃料适应性强且来源广泛、对环境友好等优点。通过分析1990年以来国内外高温固体燃料电池专利情况,从专利申请趋势、专利申请人及专利地域布局等角度,研究了SOFC领域的技术关注重点、应用情况及技术发展趋势。现阶段高温固体燃料电池技术开发已进入快速发展期,国外固体氧化物燃料电池的研发方向主要聚焦于降低成本和提高稳定性,国内则主要集中在突破电堆关键技术、核心部件国产化及示范工程建设。

不同元素掺杂ZrO_(2)基固体氧化物燃料电池电解质电性能研究进展

固体氧化物燃料电池(SOFC)是未来的清洁能源技术之一,电解质是核心部件。ZrO_(2)基SOFC电解质中含有氧空位是氧离子传导的基础,通过在ZrO_(2)中掺杂低价金属离子能够制造氧空位。综述了不同元素掺杂ZrO_(2)基SOFC电解质电性能的研究进展,按照掺杂元素的多少分为一元、二元及多元掺杂ZrO_(2)电解质三大类,在每一大类下,根据掺杂元素的种类特点进行了细分与论述。归纳了ZrO_(2)电解质的性能和掺杂金属离子的关系,以及不同金属离子掺杂的优缺点,展望了ZrO_(2)基电解质的发展趋势。

固体氧化物燃料电池直接内重整的模型研究进展

固体氧化物燃料电池(SOFCs)是一种通过电化学氧化反应直接将化学能高效率地转化为电能的装置,在大规模发电、联产以及一体化燃料升级等可再生能源系统领域具有广阔的市场前景。为进一步拓宽SOFCs的应用场景,降低运行成本,直接内重整(DIR)技术可将CH4等烷烃类物质在阳极催化生成H2,减少了燃料预处理要求且提高了转化效率,是目前SOFCs研究领域的热点之一。为了优化该技术的系统设计和操作条件,模型模拟的研究可显著减少实验工作量,并为其提供理论支撑和指导性建议。通过DIR-SOFC系统的模型模拟,结合场分布、动力学参数等,可以量化评估系统内的反应,从而了解其物理、化学过程的复杂性。本文总结了DIR-SOFC建模工作的现状,介绍了体积平均模型和针对微观结构的模型;重点讨论多尺度数学模型,对现有研究中的反应动力学过程描述、“能量-质量-动量”平衡方程、“1D-2D-3D”DIR-SOFC单元描述等进行了综述,能更好地评估变量对DIR的影响;对DIR-SOFC模型中不同液体燃料的重整反应及相关的反应动力学参数进行总结;指出现有模型的不足,并对DIR-SOFC系统模型的未来发展进行展望,使模型更加精准。

固体氧化物燃料电池Ni基阳极抗积碳的研究进展

固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种缓解能源危机的新兴能源技术,具有效率高、可持续、无污染等优势。Ni基金属陶瓷由于兼具高电子电导、高离子电导和对碳氢燃料极佳的催化活性等优势,成为目前商业化SOFC阳极材料的最佳选择。然而,Ni基阳极SOFC在使用含碳燃料时,由于碳沉积而容易导致其失活,造成电池性能衰减。针对于此,首先,分析Ni基阳极在含碳燃料中积碳的机理,阐明Ni基阳极积碳的原因、过程、类型以及危害,并介绍探测积碳常用的表征方法;然后,归纳总结当前国内外对于改善Ni基阳极抗积碳的机制和策略;最后,对Ni基阳极抗积碳策略的发展方向提出展望。

氨燃料固体氧化物燃料电池性能研究进展

氨(NH_(3))是一种零碳燃料,也是富氢载体,具有较大储运优势。固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种清洁高效发电装置,在分布式发电、热电联供、储能调峰等领域有广阔应用前景,NH_(3)可直接用作SOFC阳极燃料以实现高效、清洁、低成本发电。该文简介了质子传导型和氧离子传导型氨SOFC的工作原理,电解质、电极材料的选择以及NH_(3)在阳极的分解过程,总结了氨SOFC的实验研究现状,以单电池最大功率密度为评价指标,综述了不同电解质/电极材料、电解质厚度、工作温度、电池结构类型等因素下2种传导类型的氨SOFC的性能表现,并分析了造成电池性能差异的原因,介绍了氨SOFC目前面临的挑战。最后,对氨SOFC未来研究方向、热电联供系统的应用进行了展望。

不同支撑结构的固体氧化物燃料电池数值模拟分析

固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种高效的发电系统,能够直接将化学能转换为电能。如何保证电池高效且稳定地运行是亟待解决的问题。本工作建立了单片的平板式固体氧化物燃料电池的三维模型,涉及电化学、传质和传热等多个物理场的耦合,通过COMSOL Multiphysics有限元仿真软件对模型进行数值计算并验证模型,其I-V曲线表明数据误差小于6%。在该模型基础上,开发了基于阴极及电解质支撑的SOFC的三维模型,并继续研究了不同操作参数、支撑结构对SOFC的输出功率、温度等诸多因素对电池的输出功率、温度等物理参数带来的影响,对电池的影响情况通过极化曲线和功率曲线来反映。仿真结果表明,连接肋板会影响电池内部气体的扩散,进而发现电流密度与物质的分布有紧密联系。通过进一步的研究表明,支撑层厚度、压力以及输入燃料流量等因素均会对电池的输出功率、温度等带来影响,增大工作压力、燃料输入流量等均能提高输出功率,但这也会导致电池内部温度上升,而输出功率与电池支撑层厚度成反比。相同条件下,阴极支撑型SOFC的输出功率大于电解质支撑型SOFC的输出功率,本研究对SOFC的结构设计、实验工作具有一定的指导作用。

基于混沌博弈优化的固体氧化物燃料电池模型参数优化设计

固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell, SOFC)因具有转换效率高、无污染物排放、运行噪声低等特点被视为前景广阔的绿色发电技术之一,其被广泛应用于电力系统和交通运输等领域。针对SOFC稳态模型的参数优化设计问题,提出了一种基于混沌博弈优化(chaosgameoptimization, CGO)方法的SOFCs参数提取框架。同时,利用芬兰燃料电池技术公司Elcogen生产的陶瓷阳极支撑型平板式低温单体燃料电池(ASC-400B)工作于两种不同温度(即600℃和700℃)下的实验数据以及美国蒙大拿州立大学开发的基于物理模型的5 kW级管式SOFC电池堆栈模型在两种不同温度(即850℃和950℃)下的仿真数据,分别对所提框架、蒲公英优化器(dandelion optimizer, DO)、平衡优化器(equilibrium optimizer, EO)、粒子群优化(particle swarm optimization, PSO)算法和白鲨优化器(white shark optimizer, WSO)的参数提取的性能进行了深入的研究和分析。测试结果表明:相比于DO、EO、PSO和WSO,CGO能够准确、稳定且快速地提取上述各种SOFCs的模型未知参数,为SOFCs的系统建模提供了一种高效的方法。

移动式固体氧化物燃料电池系统集成技术研究现状与进展

固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell,SOFC)是一种能量转换装置,可以通过电化学反应将燃料中的化学能直接转换为电能。目前,SOFC大多被视为固定式发电技术,然而因其具有燃料灵活性、高效率和高能量密度等特点,在移动式发电领域如辅助动力、无人机动力、远程电源等也具有广阔应用前景。与固定式SOFC应用相比,移动式SOFC研究进展起步相对较晚,技术较不完善。移动式SOFC系统通常包括电堆、重整器、供气装置、尾燃器、换热器和储能组件等核心组件。开发SOFC移动系统需要考虑系统的鲁棒性、易用性以及发电能力等,而移动式SOFC系统部件相对较复杂,这些部件的耦合匹配特性又会显著影响系统的紧凑性、启动特性及体积/质量功率密度。从热特性、启动策略及高功率密度混合动力系统集成等方面对国内外移动式SOFC系统集成技术的研究进展进行综述。最后,基于对现有研究成果的总结提出了未来移动式SOFC系统集成中存在的挑战,及在材料与工艺的改进、新型启动策略和混合系统设计与优化等方面的发展方向。

双钙钛矿Sr_(2)CoFeO_(5+δ)阴极材料的制备及其中温固体氧化物燃料电池性能研究

随着操作温度降低,中温固体氧化物燃料电池(IT-SOFCs)需要更高催化活性的阴极材料来提升电池性能。为此,本研究采用溶胶-凝胶法合成了双钙钛矿Sr_(2)CoFeO_(5+δ)(SCF)阴极材料,并探讨了SCF阴极与摩尔分数20%Sm_(2)O_(3)掺杂的CeO_(2)(SDC)进行不同比例的复合对电极性能的影响,优化了电极的化学膨胀和面积比电阻(ASR),进而提升了SOFC单电池的电化学性能。结果表明,SCF作为SOFC阴极,经950℃退火10 h后与普通电解质具有良好的化学相容性;其中,SCF与SDC按照质量比1:1复合的样品可以将纯SCF样品的平均热膨胀系数(TEC)从2.44×10^(−5)K^(−1)显著降到15.4×10^(−5)K^(−1)。此外,SCF-xSDC(x=20,30,40,50,x为SDC的质量分数)复合阴极的ASR在800℃下分别低至0.036、0.034、0.028和0.092Ω·cm^(2),SCF-40SDC在所有温度范围内都表现出更小的ASR。复合SDC可以优化SCF的三相界面且进一步提高SCF阴极的催化活性,以0.3mm厚La_(0.9)Sr_(0.1)Ga_(0.8)Mg_(0.2)O_(3-δ)(LSGM)为电解质的SCF-40SDC单电池(757 mW·cm^(−2))比SCF单电池(684 mW·cm^(−2))的最大功率密度更优,且超过目前大部分的文献报道。本研究制备的SCF−40SDC是一种性能优异的复合阴极材料,有望应用于中温固体氧化物燃料电池。

船用高温固体氧化物燃料电池方案的可行性探讨

相比于其他氢能燃料电池方案,高温固体氧化物燃料电池(SOFC)与天然气燃料方案具有燃料成本低、联合循环的系统效率高、天然气燃料储-输-用经济和安全性高等优点,适合于中大型船舶与远海航行的应用场景。本文从船用紧凑式制氢重整器、船用能源系统集成等关键技术方面讨论讨论该方案在船上应用的可行性,为船用SOFC技术路线的发展提供可行性参考。

固体氧化物燃料电池和分部加热式S-CO_(2)循环联合发电系统设计与分析

固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell,SOFC)与余热回收相结合可进一步提高系统能量转换效率。该文设计一种SOFC与分部加热式超临界二氧化碳(partial heating supercritical CO_(2)Brayton cycle,PHSCBC)动力循环集成系统,SOFC系统的出口废气作为高温热源,驱动PHSCBC进行联合发电。建立系统的电化学模型和热力学模型,对系统的能量和(火用)进行综合评价,并通过参数分析,研究汽碳比、燃料流量、压缩机进口温度和压力以及夹点温差对联合发电系统性能的影响。对系统性能进行优化,发现当系统燃料流量为0.54 mol/s、空气流量为6.19 mol/s,可达到净发电功率、发电效率、(火用)效率分别为260.08 kW、61.20%、56.54%,其中提高燃料流量将显著提高系统发电效率。所提出的混合系统具有高效、低成本和清洁的发电和供热性能,是一种具有实际应用前景的先进能量转换技术。

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。

乙醇燃料质子导体固体氧化物燃料电池的制备及性能

针对质子导体乙醇燃料电池运行中阳极催化活性低以及积碳问题,采用原位成相法制备一种具有树枝孔状阳极结构的质子导体固体氧化物燃料电池,通过在树枝孔状阳极微通道内负载高效纳米催化剂构建微通道反应器来实现乙醇燃料的内部转化。结果表明:当燃料中乙醇的体积分数为10%、操作温度为650℃时,电池的峰值功率密度由0.076 W/cm^(2)增加到0.161 W/cm^(2),电池最大功率密度增加111%;在电流密度0.5 A/cm^(2)时进行放电稳定性测试,电池稳定运行57 h,且纤维催化剂的高催化活性加速碳的氧化反应,促进碳的气化,电池阳极-电解质界面未发现明显碳沉积。