半焦结构对直接碳固体氧化物燃料电池输出性能的影响

碳燃料的结构特性是影响直接碳固体氧化物燃料电池(DC-SOFC)输出特性的关键因素。选择生物质和低阶煤热解半焦作为DC-SOFC的燃料,采用红外光谱、拉曼光谱、XRD及氮气等温吸脱附等分析手段,结合半焦的CO_(2)还原活性及电池输出性能分析,研究了半焦组成和本征结构对DC-SOFC性能的影响机制。结果表明,半焦的灰分含量对其CO_(2)反应活性有重要影响,半焦脱灰后CO_(2)反应活性显著降低;脱灰半焦的表观芳香度越低,缺陷芳香环碳与有序芳香环碳的比值越大,半焦的CO_(2)反应活性越高,则半焦燃料DC-SOFC输出性能越好。利用多元函数拟合方法,建立了脱灰半焦燃料CO_(2)反应速率与半焦结构参数(芳香度、芳碳缺陷程度)之间的数学关系式,用于判断半焦CO_(2)反应速率大小及半焦燃料DC-SOFC输出性能的优劣。

以哈密煤为燃料的直接碳固体氧化物燃料电池

传统燃煤发电方式效率受限,污染严重。通过直接碳固体氧化物燃料电池(DC-SOFC)技术可将煤中化学能转化为电能,效率高,生成的高浓度CO_(2)有利于后续捕集、利用或封存,是一种潜在的高效洁净煤技术。使用煤基燃料的DC-SOFC已有一些前期研究,但煤炭成分和结构复杂,其对DC-SOFC性能影响研究还不够全面。为评估煤基燃料在DC-SOFC中使用的可行性,以新疆哈密煤为燃料,通过对比原煤、负载Fe催化剂的原煤、焦炭和负载Fe催化剂的焦炭为燃料的DC-SOFC性能,结合燃料成分的能谱分析,研究了影响煤基燃料DC-SOFC性能的关键因素。结果表明,新疆哈密煤可用作DC-SOFC的燃料,使用负载质量分数5%Fe催化剂的焦炭为燃料的DC-SOFC具有最好的输出性能,运行温度850℃下,峰值功率密度达255 mA/cm^(2);而使用焦炭燃料的DC-SOFC表现出最佳的燃料利用率,在850℃和200 mA恒电流模式下放电,其单质碳利用率达95%。新疆哈密煤是一种很有前途的DC-SOFC燃料,尤其是将原煤炭化、炭化后负载一定量Fe催化剂有较好的输出性能和高利用率。

直接碳固体氧化物燃料电池钙钛矿阳极的研究进展

直接碳固体氧化物燃料电池(DC-SOFC)作为一种全固态的能量转换装置,可直接将固体碳燃料中的化学能转化为电能,比起其他燃料电池具有更高的电效率和燃料利用率。然而,直接使用碳作为燃料还面临诸多挑战,如碳燃料低的电氧化活性和传质,以及阳极侧三相反应界面有限。其中,电池的阳极反应对电池的电化学性能起到关键性的作用。本文详细介绍了新型钙钛矿材料在直接碳固体氧化物燃料电池阳极上的应用,为未来DC-SOFC阳极材料的设计和研究提供了参考和方向。

直接碳固体氧化物燃料电池阳极材料的研究进展

如今,世界能源与环境问题日益严峻,其中煤炭、石油等化石燃料的粗放利用是一个很重要的原因,开发一种高效、清洁的煤炭利用技术已经迫在眉睫。直接碳固体氧化物燃料电池(Direct carbon solid oxide fuel cell,DC-SOFC)作为全固态的能量转换装置,可以直接采用固体碳作为燃料,将化学能直接转化为电能,理论上其能量转化效率接近100%。这种全固态的结构可以有效地避免液态金属阳极DCFC和复合电解质型DCFC电解液泄漏、腐蚀和由空气中的二氧化碳引起的电池性能衰减等问题。随着SOFC电池技术的迅速发展,DC-SOFC技术受到了越来越多研究者的关注,并有望成为新一代清洁能源技术。然而,由于采用固体电解质和固体碳燃料,DC-SOFC阳极反应过程复杂且影响因素众多,不同的阳极材料在性能上有着不同的表现。对此,国内外研究者为解释其阳极反应机理做了大量的工作,且不断尝试将各种新型材料用作DC-SOFC的阳极,并取得了一定的成果,对其阳极反应机理做出了合理的推断,在充分发挥DC-SOFC安全性和稳定性的同时大幅提升了其输出性能。目前,对于DC-SOFC的阳极机理,根据电池中碳燃料引入形式的不同,产生了两种不同的理论,且均有合理的实验数据支撑。而已经报道的DC-SOFC阳极材料除了最早的贵金属Pt阳极材料以外,主要有以Ni-YSZ为代表的Ni基复合金属陶瓷阳极材料、以Cu-Ni-YSZ为代表的Cu基复合金属陶瓷阳极材料、以Ag-GDC为代表的Ag基复合金属陶瓷阳极材料及以LST或LSCT为代表的混合离子和电子导体阳极材料(MIECs)。大量研究表明,在金属陶瓷阳极中加入Fe、Sn等具有催化功能的元素能有效增加电池的输出功率,提高燃料的利用效率。这些材料虽然在输出性能上表现不一,但是均存在各自的优势,为DC-SOFC的研究提供了不同的思路。此外,以现有材料为基础,对阳极结构进行优化,进一步提升电池的输出性能,也为未来的阳极材料研究提供了新的方向。本文系统地总结并分析了DC-SOFC阳极结构特性、反应机理以及各类不同阳极材料的最新研究进展,展望了直接碳固体氧化物燃料电池阳极材料的未来发展方向,以期为DC-SOFC阳极材料的高效研究提供有价值的参考。

可用作便携式电源的高性能直接碳固体氧化物燃料电池组（英文）

报道了一种直接碳固体氧化物燃料电池(DC-SOFC)电池组。该电池组由3个单节管式电池串接而成。为使电池组能够承载更多的碳,阳极制备在管状电池的外壁。此三节电池组直接以碳为燃料,空气中的氧气为氧化剂运行。该电池组的有效面积为10.2 cm^2,以17 g负载5%(w)Fe的活性炭为燃料,800°C下的功率为4.1 W。电池组以1 A的恒电流放电19 h,放电容量为19 A?h,释放出31.6 W?h的电能。这种高容量的DC-SOFC可开发成便携式电源加以应用。

直接碳固体氧化物燃料电池

碳是重要的能量载体.直接碳固体氧化物燃料电池(DC-SOFC)是一种直接使用固体碳为燃料的能量转换装置,通过电化学反应,DC-SOFC可将碳所蕴含的化学能直接而连续地转换成电能,转换效率高,产生的CO2浓度高,易于捕集和后续处理.本文系统地介绍DC-SOFC的结构组成、工作原理、研究现状和发展趋势,重点介绍了作者课题组在DC-SOFC研究方面的成果和进展,包括单电池和电池组的研制、采用生物质碳和煤炭为燃料时的性能和DC-SOFC在气电联产中的应用探索.

以甘蔗渣为燃料的直接碳固体氧化物燃料电池

甘蔗是我国制糖工业的主要原料,每年都产生大量富含碳的甘蔗渣。但由于技术的限制,目前甘蔗渣的利用率很低。以甘蔗渣炭为燃料,驱动固体氧化物燃料电池(DC-SOFC)发电。结果表明,电池在800℃最大功率密度为196mW/cm^2;当负载Fe催化剂后,最大功率密度达到236mW/cm^2。以0.5g甘蔗渣炭为燃料,0.1A恒电流放电,电池分别能放电11和14.5h。这一新型发电技术可以提高甘蔗渣的转化和利用效率,减少资源浪费和环境污染。

La_(0.75)Sr_(0.25)Cr_(0.5)Mn_(0.5)O_(3)-δ-Ce_(0.8)Gd_(0.2)O_(1.9)复合电极用作LaGaO_(3)基直接碳固体氧化物燃料电池阳极的研究

直接碳固体氧化物燃料电池(DC-SOFC)以固体碳为燃料,具有全固态结构,是一种潜在的清洁高效发电装置。设计和开发合适的阳极材料对于DC-SOFC的应用具有重要意义。在本研究中,将La_(0.75)Sr_(0.25)Cr_(0.5)Mn_(0.5)O_(3)-δ-Ce_(0.8)Gd_(0.2)O_(1.9)(LSCM-GDC)复合阳极应用于以La_(0.9)Sr_(0.1)Ga_(0.8)Mg_(0.2)O_(3)-δ为电解质的DCSOFCs中,电池中所用的碳燃料为油茶壳生物质炭。以LSCM-GDC为阳极的DC-SOFC在800℃时具有221 m W/cm^(2)的最大功率密度,低于常用的Ag-GDC电池的300 m W/cm^(2)。但通过离子浸渍工艺向LSCM-GDC阳极中引入Ni纳米颗粒后,最大功率密度显著提高至425 m W/cm^(2)。恒电流放电测试结果表明LSCM-GDC阳极在DC-SOFC中的稳定性很好,LSCM-GDC复合电极是DC-SOFCs的一种理想阳极材料。

管式电解质支撑型直接碳固体氧化物燃料电池的浸渍法制备及电性能

管状电解质支撑型固体氧化物燃料电池(SOFC)具有稳定性高、电极选择范围广、易封接等优点,很适合应用于直接碳固体氧化物燃料电池(DC-SOFC)现阶段的基础研究中。为实现管状电解质支撑型SOFC的便捷制备,本研究开发了管状YSZ(钇稳定化氧化锆)电解质支撑膜的浸渍法制备工艺。组装了电极材料为Ag-GDC(钆掺杂氧化铈)的电解质支撑型SOFC单电池。测试了单电池分别以加湿氢气和担载5%(w,质量分数)Fe的活性炭为燃料,环境空气为氧化剂的电性能。电池的开路电压接近理论值,且扫描电镜分析结果表明电解质膜致密。单电池以活性碳为燃料在800°C取得了280 m W?cm^(-2)的最大功率密度,接近其以加湿氢气为燃料的330 m W?cm^(-2)。交流阻抗谱结果表明YSZ电解质的欧姆电阻是影响电池性能的主要原因。DC-SOFC以恒电流1 A放电,运行了2.1 h,燃料利用率为36%。DC-SOFC二次装载碳燃料后的电性能几乎与初次的性能一样,表明制备的YSZ电解质支撑膜可稳定的应用于DC-SOFCs中。分析了DC-SOFC放电过程中电性能衰减的机制。

直接碳固体氧化物燃料电池研究进展:碳燃料和逆向Boudouard反应催化剂

直接碳固体氧化物燃料电池(direct carbon solid oxide fuel cells,DC-SOFCs)是一种能够将固体碳中的化学能直接转化为电能的新型能量转换装置,具有理论效率高、燃料来源广泛、成本低以及绿色环保等突出优势。根据DC-SOFC的工作原理,其运行过程是一个动力学控制步骤,即阳极侧CO的电化学氧化反应与碳燃料中逆向Boudouard反应的有效耦合保证了DC-SOFC的高效稳定运行。其中,速率相对较慢的逆向Boudouard反应是电池电化学性能的决定因素。因此,设计提高逆向Boudouard反应速率是促进DC-SOFC产业化进程的有效途径,也是发展趋势。国内外研究者采取了一系列措施来实现此目标,其中最简单有效的两种方法是:①在固体碳燃料中担载逆向Boudouard反应催化剂;②直接采用多孔结构且天然富含金属元素的生物质炭为燃料。基于近年来的前沿研究,本文综述了采用不同类型逆向Boudouard反应催化剂和碳燃料的DC-SOFCs最新研究进展,系统总结了DC-SOFCs的研究现状、面临的挑战和未来发展方向,以期为开发高性能、长寿命DCSOFCs提供有价值的参考。

流延法制备单片式直接碳固体氧化物燃料电池组及其性能研究

本研究针对小型电源应用,提出一种基于单片电解质的直接碳固体氧化物燃料电池组的设计和制备方法。采用流延成型的工艺制备YSZ平板式电解质,通过在生坯上打孔作为电解质两侧电极的电连接通道,在单片电解质平板上制备四节串联的电池组,有效面积为5.6 cm^2。采用5 g担载5wt%Fe催化剂的活性炭为燃料,对电池组的输出性能及稳定性进行测试。结果表明:850℃下电池组的开路电压为3.80 V,最大输出功率为1.66 W,对应的功率密度为296 mW×cm^(–2)。同时,测得的四节串联电池组中的第一节单电池的最大输出功率密度为294 mW×cm^(–2),说明该电池组中各单电池一致性良好。在800℃下,电池组在300 mA的恒电流下放电11 h,放电容量为8.42 W×h,燃料利用率达到了～30%。本研究可以为开发直接碳固体氧化物燃料电池在便携式和分布式电源方面的应用提供参考依据。

生物质碳在直接碳固体氧化物燃料电池中的应用

研究活性炭和碳化的梧桐叶、橘子皮为直接碳燃料电池燃料时的物化性能和电化学性能.通过X射线衍射研究燃料中碳的形态结构,采用能谱及拉曼研究燃料中元素质量分数.BET测试燃料的比表面积及孔结构.结果表明,碳化的橘子皮燃料中含有钾元素和较高的无定形碳质量分数,有利于碳的Boudouard反应和电化学反应.碳化橘子皮燃料比表面积为74 m^(2)•g^(-1),且具有较小的孔隙率和较大的堆积密度,与阳极的接触界面较大,作为燃料时,800℃燃料电池最大功率密度可达572.6 mW•cm^(-2).即非木质、水质量分数大的橘子皮经过高温碳化后得到的生物质碳,作为直接碳燃料燃料电池燃料时,具有优异的性能.

结合催化气化过程的高效直接碳固体氧化物燃料电池(英文)

This study explores strategies to develop highly efficient direct carbon fuel cells(DCFCs) by com-bining a solid-oxide fuel cell(SOFC) with a catalyst-aided carbon-gasification process. This system employs Cu/CeO 2 composites as both anodic electrodes and carbon additives in a cell of the type: carbon|Cu-CeO 2/YSZ/Ag|air. The study investigates the impact on in situ carbon-gasification and DCFC performance characteristics of catalyst addition and variation in the carrier gas used(inert He versus reactive CO2). The results indicate that cell performance is significantly improved by infusing the catalyst into the carbon feedstock and by employing CO2 as the carrier gas. At 800 ℃, the maxi-mum power output is enhanced by approximately 40% and 230% for carbon/CO2 and car-bon/catalyst/CO2 systems, respectively, compared with that of the carbon/He configuration. The increase observed when employing the catalyst and CO2 as the carrier gas can be primarily at-tributed to the pronounced effect of the catalyst on carbon-gasification through the re-verse-Boudouard reaction, and the subsequent in situ electro-oxidation of CO at the anode three-phase boundary.

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。

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。

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。