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.

阳极燃料流速对SOFC性能影响的研究

燃料在SOFC作还原气体反应时,面临部分反应尾气不能被充分利用而导致其经济性较低的问题,而燃料进气流速与其有着直接的关联。通过建立电-化-热多物理场耦合的SOFC三维模型,研究了阳极燃料流速对SOFC输出性能、组分传递、温度分布的影响规律。结果显示,在给定流速范围内,随燃料流速的增大,电池的功率密度呈上升趋势;沿电池长度方向,阳极电极层的H_(2)浓度梯度随流速增加而减小,由此阳极-电解质界面的电流密度愈加均匀;电池X-Y截面的温度梯度随流速增加而升高,在进气顺流时,较低流速下(v=0.8 m/s)沿电池长度方向的最高温度出现在电池中部位置,其它流速下出现在出气口附近,而进气逆流时最高温度均在电池中部位置,且随流速的增加,最高温度处距离出气口越近。

微生物阳极燃料电池极性反转现象研究

本文在构建微生物阳极燃料电池系统的基础上,研究了微生物燃料电池(MFC)极性反转现象.实验表明,由活性污泥混合菌源接种的微生物阳极在电极表面形成电化学生物膜,但平行构建的微生物阳极燃料电池系统在内阻、输出电压和放电时长等方面存在着不同程度的差异.在串联微生物燃料电池组中,放电操作会导致性能较差的微生物单电池首先出现极性反转.电极电势测量表明,较高的放电电流使微生物阳极电势迅速正移,导致电池系统出现极性反转.在室温范围内,温度升高可使MFC承受较高的放电电流,不易发生极化.燃料物质缺乏时,MFC易发生极性反转,但过高的电流仍能使燃料物质充分的MFC出现极性反转.MFC极性反转会对微生物阳极性能造成影响.极性反转时间较短(<5 min),对微生物阳极影响不大,但延长极性反转时间,会导致微生物阳极性能下降.

千瓦级固体氧化物燃料电池阳极循环模拟分析

利用传统化工仿真软件,构建了千瓦级固体氧化物燃料电池发电系统的计算模型,系统地研究了有无燃料再循环两种不同发电方案。结果表明:(1)额定分析工况下,若约束电堆额定燃料利用率70%,无燃料再循环发电系统交流发电功率为1 203.8 W,交流净发电效率为49.3%。燃料利用率与系统发电功率呈线性正相关性,与实验室观察测试数据吻合。(2)额定分析工况下,同样约束电堆额定燃料利用率70%,有燃料再循环发系统发电功率为1 323.3 W,交流净发电效率为53.96%。(3)电堆额定燃料利用率70%,尽管有燃料再循环发电系统能小范围提高系统的发电效率,却带来诸多实践上的弊端。有关技术路线的决策,要结合项目研发目标、研发投入、研发时间等因素进行综合评估。

以阳极支撑固体氧化物燃料电池为反应器制合成气

以阳极支撑固体氧化物燃料电池为反应器在 70 0℃、常压条件下进行了甲烷电催化氧化制取合成气小试研究。试验表明 0 .5cm2 单电池的初活性较好 ,以甲烷为燃料单电池最高功率密度达到 0 .6 7w/cm2 。在 2 2 0小时范围内电压变化不大 ,氢碳比在 1.1- 1.2之间 ,甲烷转化率 6 0 % - 70 % ,CO选择性 70 % - 80 %。 10cm2 单电池以甲烷为燃料输出电压 0 .71V ,输出电流 6 .5A时 ,甲烷转化率达到72 % ,氢碳比为 2 .0 7,基本达到合同指标。

阳极封闭式自增湿质子交换膜燃料电池——水分布及其性能

针对阳极封闭式自增湿质子交换膜燃料电池(PEMFC),建立了Nafion固体电解质膜中水传递理论模型,并得出了PEMFC实现自增湿的判据。模拟了Nafion固体电解质膜厚、电池压差、电池温度及电流密度等因素对膜中水分布与电渗系数的影响,并发现了阴阳两极压差、电池温度对膜中水分布的影响随放电电流密度变化的规律。通过非对称式膜电极(MEA)的方法自制了自增湿PEMFC,实现了阳极封闭式自增湿操作,电池性能非常稳定,最高功率密度可达到1.3W/cm2以上。建立的水分布与电性能模型很好地拟合了实验放电曲线,并得到了自增湿PEMFC氧电极动力学参数,模拟出了阴阳两极压差、温度对电性能影响的极化曲线,得到了实验的证实。

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。

固体氧化物燃料电池三维模拟与性能分析

建立了平板式阳极支撑固体氧化物燃料电池的三维数学模型,通过耦合电化学动力学和流体动力学模拟了电池的传热传质等传输现象。采用有限容积法计算了质量、动量、组分与能量守恒方程。研究给出了同向流与反向流情况下电流度密度、电压与功率密度分布。结果显示在同向流情况下,电池的最大功率密度较大,温度分布较均匀合理。进一步研究表明多孔电极结构参数(孔隙率、曲折因子与孔径尺寸)对电池性能有十分重要的影响。比较计算的极化性能与文献的实验数据,结果表明两者吻合的较好。

燃料电池阳极排气系统引射增压循环方案实验研究

阳极排气循环方式对燃料电池的性能有重大影响。本文提出了风机位于引射器二次流入口前和风机位于引射器混合流出口后等两种循环增压串联配置方案,搭建了引射器与风机联合实验系统,在不同风机频率下实验研究了二次流温度冷热态及风机位于前后的总体引射增压性能。结果表明,随着引射比的增大,引射器和风机的增压比均呈现减少趋势;风机频率越高,转速越快,增压比越大;热态工况下,由于二次流向主流传热,主流密度减小从而速度增大,引射比较小时相同引射比下增压比增大;当风机位于引射器混合流出口后时,风机全压更大,增压性能更强,最高增压可提高超过10%,风机在后的配置方案更佳。

双阳极室甲烷微生物燃料电池同步脱氮除硫性能及微生物群落分析

【背景】甲烷厌氧氧化(anaerobic oxidation of methane,AOM)包含反硝化型甲烷厌氧氧化和硫酸盐还原型甲烷厌氧氧化。目前,人们向水体中排放过量的含氮及含硫污染物,引起了严重的环境污染和生态破坏。【目的】利用甲烷厌氧氧化微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC)研究同步脱氮除硫耦合反应机理及反应过程中微生物的多样性信息。【方法】构建了3个微生物燃料电池(N-S-MFC、N-MFC、S-MFC),以甲烷作为唯一碳源,探究其同步脱氮除硫性能,并采用16S rRNA基因高通量测序技术对微生物群落结构进行分析。【结果】N-S-MFC中硝酸盐和硫酸盐的去除率分别为90.91%和18.46%。阳极室中微生物的相对丰度提高,与反硝化及硫酸盐还原菌相关的微生物大量富集,如门水平上拟杆菌门(Bacteroidota)、厚壁菌门(Firmicutes)和脱硫杆菌门(Desulfobacterota),同时属水平上Methylobacterium_Methylorubrum、Methylocaldum、Methylomonas等常见的甲烷氧化菌增多。【结论】N-S-MFC促进了硝酸盐还原,而对硫酸盐还原几乎无影响,本研究为甲烷MFC在污水中同步脱氮除硫的应用提供理论依据。