固体氧化物电解池的发展及研究现状

固体氧化物电解池(SOEC)可以高效、清洁地与可再生能源进行耦合并将其转化为化学能,是一种高效、环保的能量转化装置,但是存在长期运行性能衰减问题,这个问题也是固体氧化物电解水制氢实现大规模商业化的关键所在。本文简要介绍了SOEC的发展历程、类别及其组成和运行原理;详细阐述了该项技术的优、缺点及运行成本;重点对SOEC性能衰减的因素进行了分析,SOEC的组成、运行模式、连接板材料及运行条件等是造成性能衰减的主要因素;最后通过论文和专利数量分析了固体氧化物电解池的研究现状和未来发展趋势,认为虽然固体氧化物燃料电池(SOFC)发展较为成熟,但迫于目前环境需求,为了充分利用清洁能源,降低碳排放,SOEC制氢技术的大规模商业化必然是未来行业的发展方向,目前SOEC性能的稳定及低成本制备是该技术发展面临的主要问题。

金属支撑型固体氧化物电解池的3D建模与性能分析

建立了一种铈基电解质的金属支撑型固体氧化物电解池的三维模型,通过多物理场耦合分析了其电化学工作性能.设计的3层电解质结构为10Sc1CeSZ|GDC|10Sc1CeSZ,以GDC为主电解质.针对连接体、流体域和多层单电池结构建立了三维模型,将质量、动量、能量控制方程与物质输运方程和电化学反应耦合建立多物理场分析模型.研究了设计的金属支撑型固体氧化物电解池的电化学工作性能,详细分析了电池内部的速度场、浓度场和温度场分布.结果表明,设计的金属支撑型固体氧化物电解池在650℃下,电流密度为2.4 A/cm^(2)时,电压损失为0.38 V,欧姆损失和极化损失分别占33.72%和66.28%.采用金属支撑对气体的输运仅有轻微的影响,但是整个电池内部的温度分布均匀性得到明显改善.

基于相变材料的固体氧化物电解池热管理策略研究

为了实现波动电压输入下高温固体氧化物电解池(solid oxide electrolysis cell,SOEC)的有效热管理,提出了基于相变材料(phase change material, PCM)的热管理策略。建立了SOEC共电解水和二氧化碳的三维多物理场耦合模型,分析了基于PCM的热管理策略对SOEC温度、电流密度和化学反应速率等的影响。结果表明:使用PCM进行热管理能够有效抑制波动电压输入下SOEC内部的温度波动,避免SOEC内部产生剧烈的温度变化,同时能够显著提升温度均匀性。在电压从1.34 V增加至1.50 V再降至1.10 V这一动态输入过程中,使用PCM能够使电解池的最大温度从1 205 K降至1 151 K,降低了4.48%,最小温度则从1 114 K增加到了1 142 K,增加了2.51%,SOEC温度均匀性最大可达90.13%。基于PCM的热管理策略有利于SOEC长期稳定运行。

固体氧化物电解池时空分布式参数建模

固体氧化物电解池(SOEC)在高温环境下运行,内部存在复杂的热电相互耦合,温度、电压的控制对电堆平稳、安全运行至关重要。针对电堆复杂非线性、时空分布的特点,基于时空最小二乘支持向量机(LS-SVM)构建了SOEC温度、电压时空分布模型,采用一个核函数来描述电堆流道方向不同位置的空间相关性,采用动态回归方程描述电堆温度、电压分布的时间特性。通过Simulink构建SOEC机理仿真模型,生成样本数据来对时空分布模型进行训练并测试。仿真结果表明该模型能够准确预测SOEC温度、压力在时间及空间维度的分布,具有较优的泛化能力,可为电解系统优化与控制提供参考。

高温固体氧化物电解池应用领域研究进展

综述了高温固体氧化物(SOEC)电解池应用领域的研究进展,阐述了其基本原理,并对其发展现状进行了系统归纳总结,分析了SOEC电解池在各个应用领域中存在的问题,对未来发展需要重点关注的方向进行了展望。

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电解质材料的研究进展

固体氧化物燃料电池具有发电效率高、燃料适应性强以及清洁低碳等特点,在高温下(600~1000℃)可以把燃料化学能直接转换为电,在“双碳”目标下,其经济和社会意义愈发突出。固体氧化物燃料电池的核心材料是电解质,其性能直接决定着电池的工作温度和性能。本文综述固体氧化物燃料电池电解质的研究进展。

高温固体氧化物电解池应用研究进展

高温固体氧化物电解池(solid oxide electrolysis cell,SOEC)是一种能量转化效率高、反应速率快、应用场景广的新型高效电化学能量转化装置,在低成本绿氢制备、高附加值含碳化学品制备、氮氧化物处理、合成氨等领域具有广阔应用前景,有望在能源、化工、交通等领域的低碳化转型发挥重要作用。结合SOEC在制氢、制油、氮化物处理和制氨等领域的最新进展,对SOEC发展现状进行了系统归纳,并对未来发展需要重点关注的方向进行了展望。

固体氧化物电解池制氢关键技术及产业化进展

随着双碳目标和能源革命的持续推进,氢能作为重要的清洁能源受到广泛关注。在众多的制氢途径中,固体氧化物电解池(solid oxide electrolytic cell,SOEC)电解水制氢被认为是最有前景的制氢途径之一。为更好地服务SOEC电解水制氢的产业化发展,对SOEC技术的研究现状和面临的挑战进行了系统梳理。虽然SOEC电解水制氢具有制氢效率高、环境污染小、余热高效利用等优点,但在长时间稳定运行和大规模集成上还有许多难点问题亟需解决,目前国内SOEC产业化尚在起步阶段,与国外发展水平还有一定的差距。提升材料的稳定性、优化系统控制是SOEC技术的重点发展方向。此外,加快SOEC产业化进程还需要协同发展上下游产业链,进一步降低制备成本。随着技术的成熟,SOEC有望在化工、分布式能源等领域获得广泛的应用。

相转化法在固体氧化物电解池中的研究及应用进展

固体氧化物电解池(Solid Oxide Electrolysis Cell, SOEC)是一种高效制氢的电化学装置。和传统的碱性电解水制氢相比,SOEC制氢具有效率高、对环境友好等特点,越来越受到关注。传统的干压或者流延法等制备的多孔电极支撑体,需要添加造孔剂来调节气体的传质,而通常造孔剂产生的孔径分布不均、排列无规则,阻碍了气体的传输,导致水蒸气转化效率较低。采用相转化技术可以制备规则有序的直通孔,将该技术应用在SOEC支撑电极上,制备的直通孔结构可以促进气体的传输,极大地降低电池的浓差极化,提高水蒸气的转化效率,以获得更高的产氢量。综述了相转化技术在固体氧化物电解池中的应用,并对其未来的发展进行了展望。

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.

固体氧化物电解池材料发展现状与展望

氢气具有能量密度高、清洁无污染的优点,被认为是符合低碳发展的战略能源。利用风、光、水等可再生电能转换成化学能的方式进行电解制氢已成为主要的绿色制氢方式。目前电解水技术主要包括碱水电解技术(AWE)、质子交换膜电解水技术(PEM)和固体氧化物电解水技术(SOEC)等,其中SOEC效率高、无需使用贵金属催化剂,是高效大规模制氢的首选。SOEC在高温下运行,要求所用材料在高温下具有高导电性和稳定性等特点,同时不同部件所用材料应与热膨胀系数匹配、具有良好相容性,因此从材料方面总结了SOEC阴极、阳极、电解质3种关键部件的材料研究现状。目前阴极材料主要为金属陶瓷和钙钛矿型陶瓷2类材料,阴极高温高湿环境易导致金属陶瓷类材料失活,在长期运行中存在金属的氧化、损失、团聚等问题,因此讨论了制备复合电极、增加阻挡层、制备精细多孔结构等提高金属陶瓷材料稳定性的方法,简述了钙钛矿型陶瓷类材料存在的低催化活性等问题,并介绍了如掺杂过渡、金属原位溶出、负载活性金属纳米粒子等方法以提高材料性能;阳极材料主要为钙钛矿类材料,主要阐述了阳极运行中性能下降的因素,如长期运行过程中分层、裂纹等问题导致阳极材料长期稳定性较差,并讨论了增加阻挡层、循环操作、制备具有高电导率和催化活性的钙钛矿材料等方法,提高阳极稳定性;电解质材料主要由萤石型或钙钛矿类材料组成,重点介绍了制备高电导率材料、薄膜化工艺2种方案降低其阻抗。并对SOEC商业化现状进行介绍,SOEC目前还处于起步阶段,但随研究不断深入,其性能逐步提升,美国、欧盟等发达国家均在积极布局SOEC的商业化应用。最后结合材料发展现状对SOEC的商业化应用前景进行了讨论与展望。

固体氧化物电解池阳极材料研究进展

近年来,固体氧化物电解池(SOEC)作为一种高效的电化学能量转换装置,由于其大电流密度、高法拉第效率和高能量效率受到广泛的关注。阳极析氧反应(OER)是SOEC中重要的电极反应,涉及四电子转移过程,反应动力学缓慢,在电解过程中阳极极化电阻较大且能耗高。因此,设计高效稳定的阳极材料对提高SOEC性能及推动SOEC实际应用至关重要。近年来,高性能阳极研究取得了一系列进展。在本综述中,重点介绍了CO_(2)和H_(2)O电解的反应机理,总结了不同类型阳极材料的物理化学和电化学性能,讨论了各种有效的阳极优化策略。此外,还对SOEC的未来研究进行了展望。这对阳极材料的发展和SOEC的实际应用有一定的指导意义。

固体氧化物电解池用Al_(2)O_(3)增强Ba-Si-Ca体系密封材料的性能研究

清洁高效的电解水制氢是解决大规模氢源问题的有效技术手段,固体氧化物电解池(Solid Oxide Electrolysis Cells,SOEC)是电解水制氢的关键构件。玻璃密封材料作为固体氧化物电解堆的关键材料,在SOEC使役环境中存在稳定性差、气体泄漏率高、热循环性能低等问题亟须解决。为解决上述问题,本项目开发新型Ba-Si-Ca体系密封玻璃(glass-P),研究氧化铝掺杂量对glass P密封材料的漏气率的影响规律,评价不同氧化铝添加剂对密封材料的抗热冲击性以及化学稳定性的影响。结果表明:glass P密封玻璃的热膨胀系数为1.12×10^(-5)K^(-1),与SOEC单电池具有优异的热匹配性;添加氧化铝在glass P密封玻璃中能有效提高密封件的热稳定性以及冷热循环性能,glass P-10漏气率约5.51×10^(-3)sccm·cm^(-1),1-cell开路电位约为1.169 V(运行时间t=1053 h)。为固体氧化电解堆向商业化推进提供技术支撑和实验依据。

固体氧化物电解池连接板La掺杂Mn-Co尖晶石涂层的制备及性能评价

固体氧化物电解池的金属连接板长期处于中高温环境(600~800℃)中,表面氧化严重使得电解池内阻增大,且金属基体的Cr挥发导致电极的电化学活性降低,二者共同作用导致电解池性能衰减严重。针对上述问题,采用电泳沉积法在商用SUS430金属基体上制备了Mn-Co涂层和Mn-Co-La涂层,再采用先后在中性气氛(950℃,N_(2))和氧化气氛(825℃,空气)条件下烧结的工艺,获得了牢固且致密的Mn-Co涂层和Mn-Co-La涂层。研究了烧结气氛和La元素掺杂对涂层性能的影响,分别利用扫描电子显微镜、X射线衍射仪、能谱仪、四探针电阻率测试仪测试了涂层的形貌、物相组成、元素分布、面比电阻。结果表明:通过电泳共沉积掺杂微量纳米La_(2)O_(3)制备的涂层的晶粒更加均匀、细化,有效抑制了高温N_(2)烧结过程中基体Fe-Cr的溢出。750℃下300 h的氧化循环试验结果表明,与基体相比,本工作提出的烧结工艺有利于提升涂层的抗氧化性能,且La掺杂的涂层性能更优。La元素的掺杂有效减缓了基体中的Cr挥发,面比电阻更低且稳定,提高了Mn-Co尖晶石涂层的抗高温氧化性能。

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。

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。