等离子喷涂在制备中温平板式固体氧化物燃料电池中的应用

固体氧化物燃料电池 (solidoxidefuelcell,SOFC)是一种新型的高效率、环境友好的能量转换装置。为了在竞争激烈的电力市场中实现商业化 ,急需降低SOFC的工作温度 (目前成熟电池堆的工作温度 >80 0℃ ) ,兼顾提高电池堆长期工作稳定性的同时 ,能大幅度削减生产成本。等离子喷涂工艺由于能够高效率的获得理想层状结构和优良结合强度的涂层 ,在中温平板式SOFC的阳极、电解质和阴极制备中均有应用。文中简要说明了等离子喷涂工艺原理及特点 ,综述了其在制备中温 ( 65 0～ 80 0℃ )平板式SOFC中的应用 。

平板式固体氧化物燃料电池Ni/YSZ阳极上甲烷重整过程实验研究

为了开发甲烷直接内部重整的高效固体氧化物(solidoxidefuelcell,SOFC)燃料电池系统,必须对阳极上甲烷水蒸气重整过程进行详细研究。文中搭建了实验台,对开发的平板式SOFC燃料电池多孔介质阳极上甲烷重整过程进行了实验研究。给出在不同燃料流量和不同水蒸气/甲烷比(S/C)工况下出口气体各组分的摩尔分数和甲烷转化率的分布。实验结果表明工作参数对甲烷的转化率有很大的影响,在相同工作温度下甲烷的转化率随着进口燃料流量增加而降低,因此出口气体中氢气的摩尔浓度也相应降低。另外通过分析实验结果,可见阳极的入口处最有可能有碳形成。

新型平板式固体氧化物燃料电池的开发和性能分析

利用商业数值分析软件和试验获得的电池各部件材料性能数据,改进了用于分析固体氧化物燃料电池(SOFC)单电池内部复杂物理过程的软件包.应用该软件包,得到了设计的新型高效平板式SOFC单电池内部各气体组分浓度、温度、电势、电流及电流密度等参数的分布规律.分析结果表明:在高燃料利用率情况下,阳极内组分扩散引起的浓度极化损失是影响电池性能的重要因素之一.该新型结构电池可有效改善电池的密封性,但其电解质需要较高的最大离子传导率.

以煤气化合成气为燃料的平板式固体氧化物燃料电池性能

煤气化燃料电池联合发电系统以其高效率、低排放等优点成为煤炭高效清洁利用的理想方式之一。利用商用计算流体力学软件(CFX4.4)以及针对化学反应、电化学反应、传热传质和电流电势开发的程序,研究了煤气化合成气为燃料的平板式电极支撑高温固体氧化物燃料电池性能。在计算工况下,以煤气合成气为燃料,有较大温差,约为300 K。沿气流方向,电解质层电流密度变化较缓慢,但在电池横截面方向电流密度波动剧烈。在相同电流密度下,煤气化合成气为燃料的燃料电池Nernst电动势和功率比纯氢气情况要低,但和以天然气(CH4)为燃料情况相当。

煤气化合成气流量对平板式固体氧化物燃料电池性能的影响

利用全三维计算模型,通过改变燃料质量流量,对固体氧化物燃料电池(SOFC)内部温度场、组分分布、过电势、输出电压以及功率密度等性能参数进行计算。从计算结果可以看出,在固定电流密度情况下,SOFC内部温度随着燃料流量的增加几乎呈线性递减,并且氢气消耗速率高于一氧化碳消耗速率,同时SOFC输出电压也随之增加,但增幅逐渐递减。通过改变电流密度,得到不同燃料流量下的最优功率密度点,最优功率密度随着质量流量的增加呈近似线性变化,但是总能量效率却明显下降。

平板式固体氧化物燃料电池封接气密性的LBM模拟与分析

对平板式固体氧化物燃料电池(SOFC)的压缩密封结构的泄漏特性进行定量研究。为模拟粗糙泄漏通道的复杂形貌,采用粗糙表面数值重构技术来构建不同气体泄漏通道;考虑流动通道尺度细微、边界复杂,应用格子Boltzmann方法(LBM)对气体流动特性进行数值分析,建立包括粗糙表面几何特性参数在内的泄漏率计算模型;通过单粗糙峰微观接触力学分析,建立泄漏通道结构特征参数随应力变化的定量关系式,并分析各种因素对封接气密性的影响。结果表明:压缩密封结构的主要影响因素为粗糙表面形貌、密封材料机械力学特性、密封流体物性以及密封结构工作状态;表面粗糙度越大,温度越高,泄漏率越低;压缩密封过程中材料变形较小,对泄漏率的影响也较小;不同介质的热物理性质差异会引起泄漏率的不同。将提出的模型应用于某SOFC密封结构的泄漏率预测,计算结果与实验测量结果吻合良好,验证了模型的准确性。

平板式固体氧化物燃料电池的初步研究

研制出平板式Ni-YSZ|YSZ|LSM单体电池 ,电池以H2 为燃料 ,O2 为氧化剂气体。设计组装了电池性能测试系统 ,在 4 0 0～ 10 0 0℃的温度范围内 ,测试了电池开路电压与温度变化的关系 ,分析了变化的原因 ;考察了单体电池的电流电压特性和电流功率特性 。

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。

平板式固体氧化物燃料电池的建模与仿真研究

基于气流模型以及热模型利用流体力学计算软件Fluent,建立平板式固体氧化物燃料电池(SOFC)的计算流体力学(CFD)模型。模型中采用电化学反应控制方程、质量、动量和能量守恒方程描述电池内的传热传质等物理过程,并对电池内部的运行电压、温度以及各种极化分布情况,进行了数值模拟。研究给出了顺流平板型SOFC与逆流平板型SOFC情况下,运行电压、温度和极化的分布。结果显示逆流平板型SOFC可获得更好的性能,具有更大的电功率密度和燃料利用率。

SiO_2-CaO-Al_2O_3-B_2O_3微晶釉在平板式中温固体氧化物燃料电池密封中的应用

平板式中温固体氧化物燃料电池 (intermediatetemperaturesolidoxidefuelcells,ITSOFC)在 60 0～ 85 0℃温度下运行 ,电解质两侧的燃料气体 (H2 )和氧化气体 (O2 )必须加以分离 ,这要求金属双极板和陶瓷电解质高温气密封接。两者之间的密封材料应该与双极板和电解质很好的浸润粘附 ,达到气密要求 ;还会产生高温蠕变或粘滞流动以消除使用中因热膨胀系数差异引起的热应力。为了保证电池长期安全稳定的运行 ,还要求密封材料保持尺寸稳定性 ,与双极板和电解质材料有良好的化学稳定性。采用SiO2 CaOAl2 O3B2 O3系统微晶釉制备出一种适用于 85 0℃工作的ITSOFC密封材料。该系列微晶釉在 85 0～ 90 0℃与ZrO2 电解质和不锈钢双极板材料充分浸润粘附 ,在 85 0℃保证高温尺寸稳定性和化学稳定性的前提下 ,能够提供一种“软”密封 ,通过粘滞流动很好的满足了应力释放的要求。经过近 10 0h ,10次循环密封实验(4 0 0～ 85 0℃ )证明 ,该材料适用于 85 0℃工作的ITSOFC的密封。

中温平板式固体氧化物燃料电池

固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，SOFC）是通过电化学反应将燃料中的化学能直接转化成电能的发电技术。它工作温度高，废热可以得到有效利用，能量转化效率高；因运动部件少，工作时安静；采用全固态结构，无酸碱腐蚀性物质包含在电池中，电池的污染排放低，因而被称之为21世纪的一种绿色发电技术。此外，SOFC的运行温度使得燃料的内部重整成为可能，原则上不仅可以使用纯氢燃料，还可以用资源丰富而且经济的天然气、煤气、生物质气等作为燃料。这就使得SOFC的运行费用大大低于其它使用纯氢气的燃料电池。这种费用较低而效率高的能源技术特别适合于中国的国情。不但可以优化我国的能源结构，降低传统火力发电所带来的环境污染，还将带动和促进相关高新技术产业的发展，对我国经济发展和国防建设具有重要意义。

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.

平板式阳极支撑固体氧化物燃料电池传质传热仿真研究

利用流体力学计算软件F luen t建立平板式阳极支撑固体氧化物燃料电池(SOFC)的三维数学模型。在阳极与阴极多孔电极中使用尘气模型模拟气体质量传输并采用B rinkm an-Forschhe im er-D acy模型来模拟多孔电极中黏性与惯性效应对气体流动的影响。研究给出了燃料气与空气在同向流与反向流情况下组分浓度、电压与温度分布。结果显示在同向流情况下,电池的最大功率密度较大与温度分布较均匀合理。研究给出了多孔电极结构参数(孔隙率、曲折因子与孔径尺寸)对电池性能的影响。结果表明比较计算的极化性能与文献的实验数据两者较好的吻合。

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。

平板式固体氧化物燃料电池多物理场耦合建模

固体氧化物燃料电池(Solid oxide fuel cell,SOFC)在高温下工作,影响电池性能和结构完整性的因素众多,如何能够综合考虑这些因素并准确地预测和优化电池结构与工作性能是亟待解决的问题。使用COMSOL软件建立了单个平板式固体氧化物燃料电池多场耦合有限元三维模型,考虑电化学反应、物质浓度、流体流动、传热和固体力学多物理因素共同作用下,探明了电池在工作阶段的气体摩尔分数、电流密度、温度和热应力的分布规律。结果表明,氢气和氧气的摩尔分数随着气体流动的方向逐渐降低;在电池空气入口处,电解质电流密度较大;电池温度分布不均匀并产生了较大的热应力。本文建立的SOFC多场耦合模型可为后续SOFC的研究提供分析方法和理论支持。

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。

平板式固体氧化物燃料电池的热机械行为

基于COMSOL Multiphysics仿真平台建立了多物理场耦合作用下的平板式固体氧化物燃料单电池模型,考虑多种温度相关的材料物理化学性质,研究了残余应力以及阳极材料中镍体积分数对电池内部热应力的影响。结果表明:残余应力的存在增大了电池关键构件电解质和阴极电极工作状态下的最大拉伸和压缩应力,减小了阳极电极的最大拉伸应力而增大了其最大压缩应力;阳极镍体积分数的增大会使电池各构件的最大拉伸应力呈现先减小后增大的趋势,阳极镍体积分数的最佳百分比为40%~60%。

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。