对称型固体氧化物燃料电池ReBaMn_(2)O_(5+δ)基电极材料结构与性能的理论预测与实验验证

为获得高性能ReBaMn_(2)O_(5+δ)对称电极材料,本工作通过第一性原理计算分析了不同稀土元素(La,Pr,Nd,Sm,Gd,Y)对材料结构和性能的影响。计算结果表明LaBaMn_(2)O_(5+δ)不易形成层状钙钛矿结构,Gd Ba Mn_(2)O_(5+δ)的结合能最高,对应结构稳定性最好,而Nd Ba Mn_(2)O_(5+δ)则具有较小的Mn 3d和O_(2)p轨道之间的能量差、以及较低的O_(2)p轨道中心与Fermi面的能量差,对应材料较高的电导率和优异的催化活性。选用La,Nd和Gd作为A位元素进行实验研究。结果表明,LaBaMn_(2)O_(5+δ)难以形成单相钙钛矿,但成功合成了具有层状结构的Nd Ba Mn_(2)O_(5+δ)和Gd BaMn_(2)O_(5+δ),其在氧化和还原气氛下均保持良好的结构稳定性。相比于Gd Ba Mn_(2)O_(5+δ),Nd Ba Mn_(2)O_(5+δ)在空气和5%(体积分数) H2/Ar中均具有较高的电导率。且Nd Ba Mn_(2)O_(5+δ)电极在空气和氢气气氛下的极化阻抗均小于GdBaMn_(2)O_(5+δ),表现出更强的催化活性。以NdBaMn_(2)O_(5+δ)为对称电极,300μm的La_(0.8)Sr_(0.2)Ga_(0.8)Mg0.2O_(3)–δ为电解质制备的对称全电池,在850℃下最大功率密度达到335 mW·cm^(-2)。

基于龙伯格-滑模观测器的固体氧化物燃料电池温度估计模型

固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell,SOFC)作为一种新型发电装置,因高效无污染、全金属固态结构、燃料来源广等优点,在未来各个领域具有广阔应用前景。电堆内部的温度分布对其安全稳定运行至关重要,针对其内部温度难以获取的问题,该文设计一种龙伯格-滑模观测器估计电堆内部温度分布。首先,观测器的输入考虑系统可观性和工程应用,并结合能观矩阵条件数筛选出最优组合;然后,基于龙伯格和滑模观测器理论构造观测器具体结构;其次,为提升观测器性能,将电堆误差系统进行解耦,通过极点配置重新构造反馈增益;最后,通过平滑非线性不连续项,抑制观测器抖振现象。结果表明,所设计观测器相较于龙伯格和滑模观测器在收敛速度和误差波动方面具有明显优越性。

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。

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。

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。

全对称构型金属支撑固体氧化物燃料电池

与传统的全陶瓷结构的固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell,SOFC)相比,金属支撑固体氧化物燃料电池(MS-SOFCs)具有材料成本低,结构稳定性高,抗热震性高等优点。为了促进SOFC的商业化,采用流延–烧结–浸渗工艺制备了Ce0.8Sm0.2O2-δ(SDC)-430L阳极/Zr0.88Sc0.22Ce0.01O2.12(SSZ)电解质/SDC-430L阴极构型的全对称结构金属支撑固体氧化物燃料电池(MS-SOFC)。电池以湿氢气为燃料、空气为氧化气,在600、650和700℃时的最大功率密度为220、250和280 m W/cm2。电化学阻抗谱的测试表明,电池的性能由SDC-430L电极的极化阻抗所主导,在700、650和600℃时,电池欧姆阻抗分别为0.16、0.21和0.29??cm2,极化阻抗分别为0.67、0.90和1.22??cm2。与阳极相比,阴极的极化阻抗更为显著。对称SDC-430L电池在3%H2O-97%H2和空气气氛中测得的极化阻抗分别为0.23和1.92??cm2(650℃)。进一步优化电池结构(例如采用更加精细的430L骨架)和催化材料(例如含有Ag、Pt的复合材料)将有助于提升该MS-SOFC的电化学性能。

固体氧化物燃料电池Ruddlesden-Popper型氧化物阳极的研究进展

Ruddlesden-Popper(RP)型钙钛矿氧化物具有独特的理化性质,被认为是一种极具潜力的固体氧化物燃料电池(SOFCs)阳极材料,但是多数现有RP型钙钛矿存在不耐还原、催化氧化活性或稳定性不足等问题。在简要介绍RP型氧化物的基础上,总结出其结构可调和性质特异的内在机理,基于材料微观结构的维度、离子取代位点、制备工艺特性等系统地介绍了近年其作为SOFCs阳极的研究进展,并对制备RP型材料使用的相转变法及提升催化活性的原位析出进行了梳理与探讨,重点分析了RP型钙钛矿氧化物用于SOFCs阳极的设计理念和目前仍然存在的问题。最后指出利用异价离子取代、理论实践结合、充分利用氧非计量比是开发耐还原且具有高催化活性和稳定性的新型RP阳极的重要策略。

固体氧化物燃料电池的模型预测VSG调频控制策略

新型电力系统由于包含了大量新能源和电力电子设备,导致系统缺乏惯量支撑从而影响其频率动态特性。固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell,SOFC)作为一种清洁高效稳定的电源,可为系统提供一定的惯量支撑。为了提高系统频率动态特性,提出一种SOFC转动惯量自适应模型预测虚拟同步机(virtual synchronous generator,VSG)控制策略。首先,根据同步发电机转子运动方程明确其调频机理。其次,分析频率变化率与转动惯量之间的关系从而确定合适的转动惯量自适应策略。然后,加入模型预测滚动优化,对VSG的输入有功功率进行补偿,并将修正后的有功功率前馈给SOFC,使其可以快速响应负载变化。最后,通过仿真和实验验证了所提方法对系统频率调节的有效性。

阳极支撑型锥管串接式直接碳固体氧化物燃料电池组的制备及性能

针对阳极支撑型直接碳固体氧化物燃料电池(DC-SOFC)的浓差极化阻抗大的问题,本研究采用改进后的凝胶注模法制备了阳极支撑型锥管状固体氧化物燃料电池(SOFC)。通过适当增加溶剂的含量,改善了浆料的流动性,提高了成品的质量;通过增大造孔剂的含量,提高了阳极的孔隙率,减小了气体的扩散阻力。改进后的SOFC以氢气为燃料,在800℃运行时,开路电压为1.05 V,电化学阻抗谱的极化阻抗更小,电池的最大功率密度为0.67 W×cm^(–2)(阴极有效面积为2.2 cm^(2)),明显优于改进前的SOFC。改进后的SOFC直接采用担载质量分数5%K的活性炭为燃料,在800℃运行时,开路电压为1.030 V,接近理论电压,最大功率密度达0.74 W×cm^(–2),以400 mA进行恒流放电,碳燃料的有效利用率为31%,高于改进前电池的碳燃料的有效利用率17%。将改进后的4个锥管状单电池串联成电池组,直接采用担载质量分数5%K催化剂的活性炭为燃料,在800℃运行时,最大功率达8.0 W,高于改进前的4节DC-SOFC电池组(4.1 W),该电池组碳燃料的有效利用率为15%,峰值功率密度可达0.91 W×cm^(–2),超过了文献报道的最高值。

多孔电解质固体氧化物燃料电池的制备及抗积碳性能研究

采用共压法制备了孔隙率约为10%的具有多孔电解质的纽扣式固体氧化物燃料电池(Porous Solid Oxide Fuel Cell,P-SOFC)。在700℃对P-SOFC和普通SOFC进行了电化学测试。结果表明,P-SOFC在运行中的电化学性能衰减程度以及阻抗增加程度为普通SOFC的3/5和1/5;在长时间运行8 h后还能保持0.85 V的高电位,普通SOFC的碳元素分布比P-SOFC聚集。由此可见,具有多孔的电解质结构能提高电池放电的可持续性和稳定性,该结构通过改变阳极氧碳比增加电池的抗积碳性能,使电池在甲烷氛围中长时间内保持稳定的功率输出。

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.

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187.5 mW/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1.065 V,瞬时最大功率密度为555 mW/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。

新型对称固体氧化物燃料电池电极材料La0.6Sr0.4Fe0.9Sc0.1O3-&的研究

对称固体氧化物燃料电池的主要难点在于选择合适的电极材料使其可以在阴极的氧化气氛和阳极的还原气氛中均保持稳定,对氧气还原和氢气氧化反应同时具有良好的催化活性。该文采用Sc掺杂的铁酸锶镧La0.6Sr0.4Fe0.9Sc0.1O3-δ做对称电极活性材料,实验结果表明其在氧气和氢气中具有良好的结构稳定性和理想的电导率。采用浸渍法在多孔La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O3-δ?衬底中沉积La0.6Sr0.4Fe0.9Sc0.1O3-δ纳米颗粒以制备复合电极,其对阴极和阳极电化学反应表现出较高的催化活性,在800℃时,电池空气中极化阻抗为0.015Ωcm2,通过优化后其在97%H2~3%H_2O中的极化阻抗为0.29Ωcm^2,最大输出功率为536 mW/cm^2。

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。

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。

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。

以氨为燃料的管式固体氧化物燃料电池研究

管式固体氧化物燃料电池(t-SOFC)具有易于担载催化剂、易封接等优点。本文开发了NiO-YSZ阳极支撑型t-SOFC,测试了其分别以氢气和氨气为燃料时的电化学性能。800℃,以氨气为燃料时,电池的最大功率密度略低于氢气。阻抗谱的弛豫时间分布(DRT)分析表明电池性能与氨气的分解和三相界面的离子交换有关。通过浸渍Co-Ni(3:1)纳米催化剂,800℃时氨燃料电池功率密度可提升至159.1mW/cm^(2),同时稳定性有所改善。

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。