便携式装置中双凸台取电微管式固体氧化物燃料电池数值模拟及实验验证

本工作利用甲醇水蒸气重整制氢和管式固体氧化物燃料电池的各自优势,设计了一种甲醇水蒸气重整制氢(MSR)耦合微管式固体氧化物燃料电池(μT-SOFC)便携式制氢发电装置。使用COMSOL Multiphysics有限元仿真软件建立双凸台取电的μT-SOFC数学模型并验证模型(误差率小于5%)。仿真结果表明双凸台取电方式可高效地收集电流,不同电压下电池整体具有较小的温度差。MSR催化剂和阳极支撑型μT-SOFC分别使用浸渍法和挤出成型-浸浆工艺制备。借助场发射扫描电子显微镜和能谱分析技术表征MSR催化剂和μT-SOFC材料特性。借助气相色谱仪分析MSR产物气体成分,分析得到氢气体积分数接近70%。便携式装置使用步进电机控制甲醇水溶液进液流量,可获得不同的MSR气体产物体积流量,平均最高可达1163 mL/min。应用于装置中的μT-SOFC开路电压为0.96 V,最大输出功率密度为190 mW/cm~2。电池在模拟实际使用4小时后,其电化学性能基本没有发生衰减。同时对此工况下的电池进行仿真,仿真结果表明,电池性能主要受MSR转化效率的限制,改变空气进气方向可提高电池输出功率。目前关于微管式燃料电池及其设备的应用研究甚少,本工作对μT-SOFC在便携式装置中的应用具有指导作用。

微管式固体氧化物燃料电池制备技术及电堆组装工艺

微管式固体氧化物燃料电池(MT-SOFC)能显著减小固体氧化物燃料电池(SOFC)的体积,微型化结构使其传质、传热和反应效率明显提高,可实现快速启动与关闭,易于移动和携带。本文概述了微管式固体氧化物燃料电池的结构、关键制备工艺、研究现状、存在问题和应用前景。对电解质支撑型、阳极支撑型及阴极支撑型MT-SOFC结构和性能进行了分析比较,介绍了等静压成型、挤出成型和相转化纺丝法制备陶瓷中空纤维的技术,综述了微管负载型电解质膜技术和微管电池堆组装技术,并对MT-SOFC发展方向及在便携电源、汽车动力电源和微反应器领域的应用进行了展望。

微管式固体氧化物燃料电池两管串/并联电堆教学演示仪

用银线和银浆作为连接体将两根微管式固体氧化物燃料电池(μT-SOFC)串/并联制备成双管电堆。银因其优异的导电性和商业应用性,非常适合作为燃料电池电堆的连接体。在μT-SOFC两个阳极的方形取电口上涂覆银浆,与另一根电池的阴极或阳极连接,实现双电池的串联或并联。当运行温度为650℃时,串联的双管电堆的开路电压(OCV)接近2 V并且最大的输出功率(MP)达到了8.57 W;另外,并联电堆的OCV达到1.03 V,MP达到7.06 W。串/并联的双管电堆的输出功率能够驱动灯泡、风扇和外接的其他负载。电堆经过5 h的长期运行后依然保持着良好的稳定性,完全支持两个课时的教学演示实验。为锻炼学生的动手实验能力和加强SOFC原理的理解,教学实验将要求学生在完成电堆搭建的同时,设计制造一些小型电子负载,来演示SOFC的电化学性能。

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。

阳极支撑微管式固体氧化物燃料电池的研究进展

近些年来,微管式固体氧化物燃料电池(SOFC)由于其具有密封简单、体积能量密度高、抗热震性好、启动时间快等优点备受关注。本文主要介绍了微管式SOFC的优势,并重点概述了阳极支撑型微管式SOFC的制备方法、研究现状和未来的发展方向。分别对采用塑性挤出法和相转化法制备的阳极支撑微管式SOFC的技术进展进行了综述。介绍了阳极支撑微管式SOFC电池堆的设计理念,并对未来微管式SOFC的发展方向进行了展望。

管式固体氧化物燃料电池非稳态数值研究

建立了一个既可以描述管式固体氧化物燃料电池的稳态性能又可以描述其非稳态性能的数学模型。考虑了造成电池输出损失的三种极化现象:欧姆极化、活化极化和浓差极化。在传热模型中,除了考虑传导和对流换热外,也考虑了电池和空气进气管之间的辐射换热。分析了平均电流密度、燃料和空气进口温度和流量对电池稳态和非稳态性能的影响。计算结果表明,稳态下电池固体部分的最高温度位于电池的中部;对于同一幅度的平均电流密度的阶跃变化,电池从最初的稳态到达新的稳态所需的响应时间随各种操作参数的改变而变化。

燃烧区对管式固体氧化物燃料电池性能影响的数值研究

建立了一个考虑燃烧区的管式固体氧化物燃料电池数学模型。电化学模型中考虑了造成电池输出损失的3种极化现象:欧姆极化、活化极化和浓差极化。在传热模型中,除考虑传导和对流换热外,也考虑了电池和空气进气管之间的辐射换热。分析了燃烧区长度对电池稳态和非稳态性能的影响。计算结果表明,增大燃烧区的长度可以导致电池管温度的增高,并且可以缩短非稳态过程的响应时间。输出端电压和输出功率随燃烧区增大而增大,但其变化幅度很小。

微管式固体氧化物燃料电池阳极改性研究

以H_(2)和CO的混合气体为燃料,测试了不同CO浓度和不同温度下微管式固体氧化物燃料电池(MT-SOFC)阳极的抗积碳性能。同时,为增强MT-SOFC阳极的抗积碳性能,通过浸渍法用Cu、Ce及La-Ce对MT-SOFC阳极进行改性。与未改性MT-SOFC单电池对比,Cu改性过的MT-SOFC阳极抗积碳性能没有提升,Ce及La-Ce改性后MT-SOFC阳极的抗积碳性能显著提升。

面向调频应用的扁管式可逆固体氧化物电堆控制特性分析

良好的电化学动态响应性能以及功率输出的长期耐久性是高温可逆固体氧化物电池(reversible solid oxide cell,RSOC)应用于调频等电力辅助服务的技术基础。针对一种新型内嵌微流道的扁管式电堆,从调频控制的角度,试验考察了RSOC电堆的发电/电解工作控制特性、负荷动态响应特性以及长时间运行衰减特性。结果表明,新型电堆燃料传质特性良好,可优先选择氢气流量、水氢比、工作温度等参数实现对应发电/电解模式下的调频应用控制。在温度控制不变的情况下,动态试验表明了新型电堆受传质/传热影响,电压弛豫时间难以达到秒级,单一电参量的调控难以满足调频控制精度需求,需要进行电压环、电流环的串级控制,才可实现精准调频。可靠性方面,相较单电解工作模式,发电/电解工作模式反复切换下,新型电堆出现了工作性能优化现象,故认为通过合理的工作模式切换策略,RSOC电堆可用于长期可逆动态运行工况,满足辅助调频的寿命要求。

管式固体氧化物燃料电池堆的研究进展

固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种高效、洁净的发电装置,其发电效率高、应用范围广,尤其适合作为分布式发电和热电联供系统,被认为是现阶段最有应用前景的绿色发电装置.管式结构电池堆是燃料电池中SOFC所特有的电池堆结构,虽然管式结构电池仍存在电流路径长、内电阻大、功率密度低、制造难度大以及成本高等问题,但其密封容易,具有现今燃料电池中最好的长期稳定性.因此,管式结构电池一直是燃料电池研究中的前沿和热点方向.本文介绍了近年来国内外管式固体氧化物燃料电池堆的研究进展,以及国际上具代表性研发单位的最新技术现状,并提出了管式SOFC在商业化进程中亟待解决的问题.

YSZ/Ni-YSZ双层中空纤维电解质层厚度控制及其影响

本研究利用相转化共纺丝法一步制备出微管式固体氧化物燃料电池(MT-SOFC)用电解质/阳极(YSZ/NiO-YSZ)双层中空纤维膜,将制得的YSZ/NiO-YSZ双层中空纤维膜前驱体经1450℃烧结后,以纯H2在700℃下还原4 h得到YSZ/Ni-YSZ双层中空纤维膜。电解质YSZ膜层厚度通过改变YSZ铸膜液挤出速率来调节。将La0.8Sr0.2MnO3-δ(LSM)阴极乳浆浸渍涂覆在烧结后的YSZ/NiO-YSZ双层中空纤维膜外,经1200℃烧结后形成微管式固体氧化物燃料电池。结果表明,当阳极铸膜液以10 mL/min速率挤出,而电解质铸膜液挤出速率为0.5、1、1.5、2 mL/min时,构造的YSZ/Ni-YSZ双层中空纤维膜电解质层厚度分别为6、13、18、28μm,其机械强度、气密性均随着电解质层厚度增加而增大,但电导率与孔隙率受电解质层厚度的影响较小。YSZ膜厚度为28μm的MT-SOFC,800℃时以20 mL/min氢气作为燃料,30 mL/min空气作为氧化剂,最大开路电压为1.01 V,最大输出功率只有75 mW/cm2。但同样测试条件下,YSZ膜厚度为6μm的MT-SOFC,开路电压为0.92 V,最大输出功率升至329 mW/cm2。

国外SOFC研究机构及研发状况

在简单介绍固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cells,SOFCs)堆结构的基础上,重点详细介绍几个世界级具有堆发电能力的机构及其研发状况,指出研发机构与大型企业集团联合开发、锁定目标、重点突破是目前各发达国家研究的特点。