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。

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。

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。

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。

碳基固体氧化物燃料电池研究进展

随着人们对绿色能源和环境友好型社会需求的日益增长,先进能量转换装置或系统的研发亟待加速,而燃料电池系统被认为是最有希望的未来发电装置。在不同种类的燃料电池中,固体氧化物燃料电池(SOFCs)是一种清洁环保的发电装置,因其独特的多燃料运行能力及能量转化效率高等优点而前景广阔。然而,传统使用镍-金属陶瓷阳极的SOFCs,在碳氢化合物燃料下运行时,由于燃料的不完全氧化会使阳极产生积碳,从而导致电池性能下降。讨论了碳基SOFC中碳沉积机理和解决阳极积碳的策略,重点介绍了目前广泛研究的具有混合离子-电子导体的双金属-金属陶瓷材料的种类以及研究进展,并总结了双金属-金属陶瓷材料的抗积碳机理,主要表现为降低阳极表面的碳沉积速率以及加速积碳的去除。还介绍了在还原性气氛中,钙钛矿材料中纳米粒子原位偏析的原理,并讨论了原位偏析所形成的纳米颗粒以及其与钙钛矿主体所形成的金属氧化物异质结构在抗积碳阳极中的应用。此外,还探究了多层阳极和单原子催化剂阳极在中温SOFCs中的应用。在燃料电池技术巨大进步的推动下,人们对可用于固定式发电的集成煤气化的燃料电池发电系统(IGFCs)产生了新的兴趣,该系统对于实现煤炭的清洁高效利用具有重要意义,该技术的关键依托于SOFCs的成熟度。最后,总结并指出了碳基SOFCs未来的一些研究方向。

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。

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。

固体氧化物燃料电池新型阳极燃料的研究进展

为了解决传统的氢气、一氧化碳等工业制气作为固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell,SOFC)阳极燃料时,其在制备、存储、使用安全性等方面的问题,探究新型阳极燃料的研究及应用,以期在保证电池性能的同时实现SOFC的低碳甚至零碳排放.对当前有关SOFC新型阳极燃料的研究现状进行了调研总结,概述了SOFC的基本原理,阐明了国内外能源结构的影响.调研了低碳/零碳燃料在SOFC研究中的应用情况,包括甲烷等低碳烷烃、氨、生物质燃料、含碳类固体燃料等.在此基础上对阳极低碳/零碳燃料下SOFC联合动力系统的研究进行了概括总结,并指出了SOFC的发展方向.

瓦楞式与平板式固体氧化物燃料电池的性能研究

良好的流道形式可以促进反应气体在通道和多孔电极中的传递和扩散,进而提升固体氧化物燃料电池(SOFC)的性能。构建了两种SOFC模型:瓦楞式和平板式。研究结果表明:瓦楞式与平板式SOFC的功率密度在电池工作电压0.6 V时都达到最大,此时瓦楞式SOFC的功率密度为7419 W/m^(2),比平板式6982 W/m^(2)提升了437 W/m^(2),功率密度增加了6.26%。瓦楞式流道结构SOFC中通道内反应气体速度整体提升,阴极氧气平均摩尔浓度对比增加0.69 mol/m^(3)。四种流道改进下,结合温度与功率密度,可知53°时,瓦楞式SOFC性能达到最优。

固体氧化物燃料电池铁基钙钛矿BaFe_(1-x)In_(x)O_(3-δ)阴极材料的电催化性能研究

研究了一种新型固体氧化物燃料电池阴极催化剂铁基钙钛矿氧化物BaFe_(1-x)In_(x)O_(3-δ),对材料的物相结构、热膨胀性能、氧还原反应动力学和电化学性能进行了系统的评估。其中,BaFe_(1-x)In_(x)O_(3-δ)(BFIn10)阴极表现出最优异的电极性能,700℃下电极的极化电阻为0.25Ω·cm^(2),当阴极过电位为32 mV时,BFIn10电极的电流密度为90 mA·cm^(-2)。通过比较不同温度和氧分压下电极的极化电阻,确定了BFIn10阴极上发生的氧还原反应主要包括离子从三相界面到CGO电极的转移过程和电荷的迁移过程。

固体氧化物燃料电池的自抗扰优化控制方法研究

固体氧化物燃料电池(Solid oxide fuel cell,SOFC)因其多燃料适应性、高效能和无污染等特点而应用广泛。然而,SOFC是一个高度耦合、非线性、多变量和复杂的系统,易受扰动的影响而使系统输出电压不断波动变化。因此,为了降低扰动带来的影响,保证SOFC系统输出电压稳定,提出了一种基于改进萤火虫算法的线性自抗扰控制(Linear active disturbance rejection control,LADRC)方法,将萤火虫算法引入阶梯型惯性权重,并采用随机生成方法替代发光程度低的30%个体,进而优化LADRC参数。仿真结果表明,在电压扰动影响下,通过改进萤火虫算法优化的LADRC控制方法比传统PID控制方法的超调量降低了13.65%,具有良好的控制效果。

固体氧化物燃料电池气流和热场的宏观尺度数值模拟研究进展

宏观数值仿真方法通过耦合多个物理场可对固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell,SOFC)进行仿真,在研究SOFC内部机理、外部输出性能等方面存在优势,可为电池优化设计提供依据。SOFC内部气体流动的均匀性直接影响电池效率,热场的分布会影响电池的发电性能和长期稳定性。本文总结了SOFC内部流道、外部歧管对流场的影响、优化传统流道以及设计新型流道中的宏观数值仿真模拟,以及宏观尺度数值仿真在热量传输和热稳定性方面的研究进展;概括了宏观数值模拟在分析燃料效率,结合多尺度模型,以及设计SOFC组件及新结构方面的研究进展。对应用宏观数值仿真方法研究SOFC进行总结和展望,认为目前需要统一SOFC结构设计的评价标准,以便量化对比。

以气化煤气为燃料的固体氧化物燃料电池热电联供系统设计

煤炭在相当长一段时间内仍将是我国的主要能源,提高其利用效率对减碳具有重要意义;固体氧化物燃料电池(SOFC)是最高效的能量转化装置,二者结合将实现煤炭资源的最大化利用,助力新老能源的平稳过渡。但传统煤炭气化工厂产出的煤气中灰分、硫等杂质含量高,不能直接作为SOFC燃料,针对煤炭气化和净化过程以及燃料电池发电和热回收系统进行设计与模拟。使用Aspen Plus软件建立煤炭裂解、煤炭气化、煤炭净化、煤气冷却热回收、SOFC发电、尾气燃烧、蒸汽轮机发电、热水供应模块,使用软件内置Fortran模块对煤炭气化和SOFC发电的电化学过程进行建模,最终得到一种适合固体氧化物燃料电池的煤炭气化模块,气化效率为70.1%,该煤气主要含58%CO、32%H_(2),可直接通入燃料电池进行发电。模拟结果显示,该系统在拟定工作条件下,SOFC净发电效率可达37.54%,热水效率为35.11%,系统总体能量利用率可达78.58%。经灵敏度分析发现,采用适当的燃料利用率和燃料流量可有效降低系统运行成本,空气过量比在可选择范围内尽量选大。可实现煤炭的绿色、清洁高效应用。对煤炭气化燃料电池发电技术热电联供系统(IGFC-CHP)的全部过程进行了模型搭建,对IGFC-CHP的实现具有借鉴意义。