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。

高温固体氧化物燃料电池(SOFC)进展

固体氧化物燃料电池（ＳＯＦＣ）采用的是全固体的电池结构，不存在液体电解质带来的腐蚀和流失等问题，而且具有燃料适应性广等突出优点，近几年发展非常迅速，已经展示出作为集中或分散发电新技术的前景。本文较详细地介绍了固体氧化物燃料电池的特点、工作原理和关键电池材料的研制，并全面阐述了国内外发展现状和发展趋势。

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。

固体氧化物燃料电池(SOFC)合金连接体耐高温氧化导电防护涂层

降低固体氧化物燃料电池(SOFC)工作温度,可使用高电导、高热导、高强度的合金作为连接体。其中含Cr的铁素体不锈钢合金,具有与SOFC其他部件材料匹配的热膨胀系数,此外还有易于加工及成本低廉等优点,成为中低温板式SOFC连接体材料应用与研究的重点。但这类合金表面高温氧化所带来的界面电阻变化,及Cr挥发进而在阴极沉积所带来的诸多问题,成为影响板式SOFC长期稳定的关键因素,因此必须进行有效的表面处理。从SOFC合金连接体引起的电堆性能衰减机理出发,阐明了降低或防止阴极Cr中毒的几类方法,论述了合金连接体涂层的必要性。结合笔者开发设计的尖晶石粉末还原法在合金连接体表面制备纳米微结构Mn_(0.9)Y_(0.1)Co_2O_4(MYC)防护涂层方面的工作,综述了国内外SOFC合金连接体涂层材料及涂层制备方法的研究进展。对各类涂层材料及涂层制备方法优缺点进行比较的同时,重点介绍了电导率高、实用性较强的钙钛矿结构及尖晶石结构涂层材料。最后展望了合金连接体涂层的发展前景。

基于三元催化剂的固体氧化物燃料电池尾气催化燃烧数值模拟

固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell,SOFC)作为一种清洁高效的先进发电设备,具有空气、燃料气分离的结构优势,易于将燃料侧尾气中的CO_(2)富集。为提高SOFC阳极尾气中CO_(2)浓度,针对商业化的三元催化剂,综合考虑SOFC阳极尾气催化燃烧中传质、传热、化学反应过程,建立多物理场耦合稳态模型。基于该模型,模拟SOFC系统阳极尾气的催化燃烧特性,研究不同入口温度、反应空速和催化剂尺寸对燃烧温度、壁面温度、H_(2)转化率、CO转化率、出口CO_(2)浓度等参数的影响,得到各参数的变化趋势。借鉴已有实验,通过优化空速,可以将出口CO_(2)浓度从94.72%提高至95.33%;通过优化催化剂尺寸,可以将出口CO_(2)体积分数从94.72%提高至95.64%。通过分析尾气催化燃烧中不同工况下的出口CO_(2)浓度变化特性,为商业三元催化剂用于SOFC系统阳极尾气催化转化和尾气CO_(2)富集提供指导。

基于丙烷催化部分氧化的微管式固体氧化物燃料电池系统特性研究

【目的】便携式固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell,SOFC)系统包含气体供给模块、燃料处理模块、SOFC发电模块、热管理模块、尾气处理模块和控制模块等,其中,燃料处理模块与SOFC发电模块之间存在复杂的耦合匹配关系,明确模块间的耦合特性对提升系统性能以及运行寿命十分关键。【方法】分析了温度、碳氧比等因素对以Rh为催化剂的丙烷催化部分氧化(catalytic partial oxidation,CPOx)性能的影响,并进一步测试了CPOx与SOFC电堆的耦合性能。【结果】随着体积空速的升高,CPOx重整效率先升高后下降,100、150 mL/min是较为合适的体积空速;而温度的升高则能一直提升重整效率,但是高温度下相同温度增幅带来的重整效率提升逐渐减小;实验得到的最优碳氧比为1.0;在CPOx的最优工况下,SOFC电堆的性能达到了8.38 W。【结论】在丙烷体积空速150 min^(-1),碳、氧摩尔分数比1.0,工作温度800℃的条件下,SOFC电堆与CPOx的耦合性能最佳,丙烷便携式发电系统在体积为12 L时发电功率达到150 W。

固体氧化物燃料电池电解质材料的研究进展

介绍了固体氧化物燃料电池(SOFC)用萤石型、钙钛矿型及磷灰石型电解质材料的结构、导电机理、性能及研究进展。存在的离子电导率较低、化学组成及相组成不稳定等问题,主要通过氧化物共掺杂及不同材料之间的复合等方法来改善。材料的复合与电解质层结构的设计,将成为电解质研究的主要方向。

固体氧化物燃料电池(SOFC)发电系统示范工程(3):日本三菱重工的SOFC系统

日本三菱重工于1984年开始开发固体氧化物燃料电池（SOFC）技术,于1986—1989年与东京电力株式会社合作研制管式SOFC电池堆,于1991年运行了1kW的SOFC电池堆，运行时间1000h。1993年,三菱重工研制新型1kW的SOFC电池堆成功,运行3000h。1996年,10kW常压SOFC连续运行5000h。1998年3月,三菱重工与电力开发株式会社合作，运行高压10kW级SOFC系统，SOFC阳极为NiO／YSZ，阴极为LaCoO3。设计参数为：（1）最大输出功率21kW；（2）效率35％；（3）燃料利用率75％。到1998年年中，运行4000h，功率输出稳定，千小时性能降低1％～2％。

整体煤气化固体氧化物燃料电池(IG-SOFC)发电系统

固体氧化物燃料电池（SOFC）与熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）相比，排气温度更高,有利于组织底部联合循环发电系统回收排气的余热。SOFC对燃气中杂质的容许值较高，更有利于与煤气化结合，以煤气做燃料电池的燃料,最后形成整体煤气化固体氧化物燃料电池（IG—SOFC）发电系统。

设置富氨蒸气回热器的固体氧化物燃料电池/燃气轮机/卡琳娜联合循环系统的热力性能分析

提出了一种新的SOFC/GT/KCS联合循环发电系统,建立了该系统热力性能的数学模型,根据热力学第一定律和第二定律,利用EES软件仿真模拟对系统进行了能量分析、憥分析,并研究了空气流率、燃料利用率、燃料流率、压气机压比、水蒸气碳比的变化对联合循环热力性能的影响。研究结果表明,在设定工况下,SOFC的发电效率为49.2%,系统总发电效率为67.6%,系统总火用效率为68.16%;系统的各部件中,火用损失较大的部件依次为SOFC、后燃烧室、燃气轮机、预热器3和余热锅炉;当燃料利用率为0.85时联合循环系统的性能最佳;在一定范围内,随着空气流率、燃料流率或水蒸汽碳比的增加,联合循环系统的能量利用效率均降低。

低温固体氧化物燃料电池研究进展

题记：清华大学毛宗强教授作为本刊的编委，多年来始终支持着本刊的发展，不断给予本刊建设性和指导性的意见与建议。本期我们约请他为读者撰文介绍了低温固体氧化物燃料电池（SOFC）的发展趋势，从电池结构、电池材料和产业现状等诸方面说明其进展。低温SOFC已经突破传统的管式和平板式结构，出现直径为毫米级的微管式SOFC、金属支撑的平板式SOFC以及单气室SOFC。低温SOFC可以直接操作天然气、煤气、生物质气、甲醇、乙醇和氨水等燃料，因此本文特别关注600℃以下的低温SOFC，认为其最有市场前景。

中低温固体氧化物燃料电池的研究

中低温固体氧化物燃料电池(SOFC)是燃料电池研究的一个重要方向,综述了研究开发中低温SOFC的途径及现状,并指出了应解决的几个问题。

固体氧化物燃料电池密封材料的研究进展

本文对固体氧化物燃料电池 (SOFC)密封材料的研究进展作了介绍 ,分别对硅酸盐体系、硼酸盐体系、磷酸盐体系以及云母玻璃密封材料的研究进展情况给予阐述 ,对每种密封材料的特点和存在的问题进行了详细的论述 。

固体氧化物燃料电池阴极材料的研究进展

综述了固体氧化物燃料电池(SOFC)阴极材料的性能。在钙钛矿型阴极材料中,Mn基材料具有较好的高温工作特性;Co基材料具有较好的低温催化特性和电导特性,但化学和结构稳定性差;Fe基材料具有较好的化学和结构稳定性,但低温下的催化性能尚需改进。其他结构类型的复合氧化物阴极材料的研究也在进行。

中低温固体氧化物燃料电池复相固体电解质的研究进展

介绍了复相固体电解质材料在中低温固体氧化物燃料电池(SOFC)的研究进展,重点评述了Y掺杂ZrO2(YSZ)/绝缘体、掺杂CeO2/绝缘体、掺杂CeO2/无机盐及质子导体基复相电解质材料的结构设计、制备以及电导率和单体电池性能提升的机理。指出了纳米复相电解质材料在中低温SOFC应用的可能性、存在的问题及发展趋势。

固体氧化物燃料电池中的电解质

综述了固体氧化物燃料电池 (SOFC)中固体电解质的研究概况 ,分析了ZrO2 基、CeO2 基、Bi2 O3 基固体电解质和掺杂的LaGaO3 为代表的钙钛矿结构的固体电解质的优缺点以及作为SOFC电解质存在的问题 ,中低温度下稳定的高离子电导率的固体电解质的研制开发及固体电解质的薄膜化研究是降低SOFC工作温度的两个重要途径。

管式固体氧化物燃料电池系统数学模型

现代化的高效联合循环中 ,最大的不可逆损失是由于燃烧引起的。即使燃气轮机采取很高的温度 ,仍有将近 30 %的火用因为燃烧而被浪费掉了。而在燃料电池中 ,燃料的化学能量直接转化为电能 ,不受卡诺循环效率的限制。电化学反应过程中的火用损失要比常规的燃烧过程小得多。高效循环减少了二氧化碳排放而达到环境保护的目的 ,另外NOx 的排放量也比常规电厂大大减少。通过对已有管式固体氧化物燃料电池建模思路的考察 ,确立了零维模型结合ASPENPLUSTM 流程模拟的建模方法。模型采用天然气作为燃料输入 ,其验证的结果表明 :该模型可以比较准确地预测不同工作条件下 (独立的管式固体氧化物燃料电池发电系统或是构成混合循环 )的管式固体氧化物燃料电池系统的性能。

固体氧化物燃料电池阳极材料的制备和性能研究新进展

作为固体氧化物燃料电池 (SOFC)关键材料之一 ,阳极材料的性能对整个SOFC的性能有着十分重要的影响。概述了SOFC阳极材料的最新研究动态 ,重点对以钇稳定氧化锆 (YSZ)、掺杂氧化铈 (DCO)、以及镓酸镧 (La GaO3 )作电解质时SOFC阳极材料的选择 ,不同结构类型SOFC中阳极的制备方法 ,以及阳极的热学、电学及电化学性能的研究现状进行总结。

固体氧化物燃料电池连接体材料研究进展

固体氧化物燃料电池(SOFC)是高效、洁净、全固态的电化学装置,是发展比较快的能源技术之一。本文总结了SOFC关键组件连接体材料的研究进展,详细论述了近年发展起来的金属连接体材料的研究状况,总结了目前研究比较广泛的Ni基、Fe基、Cr基连接体合金的性能特点和存在的主要问题,最后介绍了经过表面处理的Fe-Cr基合金应作为SOFC金属连接体材料的研究重点。

平板式氧化物燃料电池(SOFC)研制及性能考察

对固体氧化物燃料电池（ＳＯＦＣ）进行研制．在ＹＳＺ固体电解质上制备成功Ｌａ０．８Ｓｒ０．２ＭｎＯ３阴极和Ｎｉ－ＹＳＺ陶瓷阳极，并解决了高温无机密封技术难题，组装出平板式ＬＳＭ／ＹＳＺ／Ｎｉ－ＹＳＺ单电池．在９５０℃，Ｈ２为燃料时，电池最大输出功率密度达０．１２Ｗ／ｃｍ２．对阴、阳极性能分析得出，ＬＳＭ电极的电化学性能与国外报道的电极性能相当，电池功率密度较低主要是由Ｎｉ－ＹＳＺ陶瓷电极电化学活性较差和电池内阻（界面接触电阻）较大造成的．