LaNi_(0.6)Fe_(0.4)O_(3)阴极接触材料导电特性调控及其对SOFC电化学性能的影响

鉴于平板式固体氧化物燃料电池(SOFC)电堆对低面电阻、高稳定性阴极接触材料的需求,本研究阐明了LaNi_(0.6)Fe_(0.4)O_(3)(LNF)颗粒尺寸调控对导电和SOFC单电池性能演变的影响机制,优化了LNF预处理工艺,降低了接触组件面电阻,提升了SOFC单电池性能及热循环稳定性。结果表明:预压造粒的样品(LNF-2)与高温烧结预处理的样品(LNF-3)的面电阻更小,分别为0.074和0.076Ω·cm^(2);在750℃施加1 A/cm^(2)电流负载后,能够更快地进入稳态,并保持颗粒尺寸稳定。其中,LNF-2单电池在750℃下的峰值功率密度0.94 W/cm^(2)较未处理的LNF的0.66 W/cm^(2)高,但在热循环过程中性能衰减较大,下降了20%;而LNF-3单电池在20次热循环后峰值功率密度仅下降了4%。本研究对高可靠SOFC电堆装配及其长寿命稳定运行具有指导及参考价值。

基于经验小波变换的SOFC泄漏故障诊断

固体氧化物燃料电池(SOFC)电堆通常在700℃以上的高温下工作。电堆所用密封剂在高温下易退化失效,导致泄漏故障,引发电堆的热失控和损坏,影响系统运行稳定性。提出一种基于电堆温度和电压信号的经验小波变换(EWT)诊断方法。通过EWT分解温度和电压信号,得到多分辨率分析(MRA),分析其中故障特征明显的MRA信号,求出时域特征,通过设定的阈值判断是否发生泄漏。通过千瓦级电堆实验平台数据,验证EWT诊断方法可较好地检测电堆泄漏故障,且相较于电压信号,温度信号的诊断更迅速。与集合经验模态分解诊断方法相比,EWT方法可更快地诊断出泄漏故障。

基于SOFC尾气供热的甲烷重整制氢反应器模拟及实验研究

设计了一种千瓦级新型甲烷重整制氢反应器,采用固态氧化物燃料电池尾气供热,充分利用尾气中的余热和可燃成分,构成紧凑的高效天然气发电系统。采用计算流体力学(CFD)对反应器内燃烧及重整反应进行了数值模拟,结果表明:固态氧化物燃料电池阳极和阴极尾气能够在反应器中稳定燃烧,形成1 486℃高温火焰,为甲烷水蒸气重整反应供热;重整管内水蒸气和甲烷体积分数沿程不断降低,由于水蒸气过量,出口处水蒸气体积分数为35%,出口氢气体积分数为45%,甲烷转化率达到90%左右;镍催化剂具有很高的导热系数,因此重整管内外温差小于15℃;利用实验获得了反应器内温度、甲烷体积分数及甲烷转化率等数据,对比模拟结果验证了数值模拟的准确性。

工业尺寸阳极支撑SOFC亚微米GDC隔离层的制备及性能

氧化钆掺杂氧化铈(GDC)隔离层是固体氧化物燃料电池(SOFC)的重要组成部分,可以有效地阻止高性能阴极La_(0.6)Sr_(0.4)Co_(0.2)Fe_(0.8)O_(3-δ)(LSCF)和Y_(0.16)Zr_(0.84)O_(2-δ)(YSZ)电解质之间的副反应。但通过传统湿法陶瓷技术制备的GDC隔离层致密度低、厚度大,不仅不能有效阻止Sr等元素的扩散,还会增大电池的欧姆阻抗;而先进镀膜技术虽可以制备致密的GDC隔离层,但其工业成本高,推广应用困难,对于非平板型电池电解质表面的适应性较差。在前期研究工作中,提出了一种制备致密GDC隔离层的新方法,通过水热原位生长在YSZ电解质表面成功生长了超薄致密的GDC隔离层,制得的阳极支撑体单电池也具有良好的电化学性能。在此基础上,将水热溶液体积放大60倍,在10 cm×10 cm级工业尺寸阳极支撑单电池YSZ电解质表面成功制备了0.7μm厚的连续致密GDC隔离层,构建了GDC/YSZ双层电解质,显著降低了单电池面电阻,提高了输出性能。在720℃,单电池在0.7 V工况的输出功率达到了61.6 W,实现了工业尺寸SOFC单电池致密GDC隔离层的低成本制备和高性能输出,验证了水热原位生长技术的工业应用可行性。

SOFC阴极空气预热器耦合传热特性及参数影响分析

针对固体氧化物燃料电池(SOFC)高温区碳化硅基阴极空气预热器这一新型换热设备,开展极高温工况下的烟气-空气的辐射-导热-对流耦合传热特性及参数影响分析,基于ANSYS Fluent采用DO模型分析高温气体辐射换热及气体吸收系数对换热器性能的影响,并与S2S模型及不考虑辐射换热模型的计算结果进行对比;同时研究了壁面发射率及烟气进口温度对耦合传热的影响规律。结果表明,烟气进口温度800~1100℃条件下,辐射换热的影响较大,但烟气吸收系数及气体辐射的影响可以忽略;壁面发射率、烟气入口温度对耦合传热的影响非常明显,壁面发射率和烟气入口温度越高,空气出口温度越高。研究结果可为碳化硅基阴极空气预热器的设计提供理论依据。

电泳沉积法在SOFC阳极材料制备方面的应用

采用电泳沉积法制备了NiO、YSZ、PS单体系悬浮液,研究了聚合物型表面活性剂PEI对悬浮颗粒的分散效果,描述了添加PS含量后的沉积过程和规律,并从工艺角度出发,研究了PS含量对NiO和YSZ复合体系悬浮液颗粒粒径、沉积形貌和样品气孔率的影响。

基于SOFC-GT的长江流域货船推进系统特性分析

为了探索柴油燃料在船舶航运中的清洁化利用的新路径,建立基于固体氧化物燃料电池-燃气轮机(SOFC-GT)混合动力系统的船舶推进系统,结合柴油的裂解和重整以及各部件安全运行边界约束,研究工作参数对混合动力系统性能的影响,得到不同航道水流速、风速以及航行速度下混合动力系统运行规律。结果表明:在额定工况下,该船舶SOFC-GT推进系统功率为2458k W,燃料消耗为0.092 kg/s,效率可达56.33%。采用阳极再循环可将系统的效率提高9.91%,但为了避免SOFC工作温度过高,再循环比不能超过0.45。燃空比和水碳比的安全调节范围分别为0.0295~0.0677和1.6~3.5,SOFC-GT系统在安全区域内功率的上下限分别为460.6 kW~1 229.0 kW和1 007.0 kW~1 178.0 kW,取得上下限时的系统效率分别为49.09%~56.41%和47.69%~56.82%,可以实现宽工况调节。货船SOFC-GT推进系统相比传统柴油机,在长江流域不同水流速度、风速和航行速度下,展现出更高的效率和续航能力,效率提升可达15.5%。

带电子空穴传导的H-SOFC电化学模型与电池性能

通过应用电荷有效电导率概念,构建了一个模型来分析柱塞流动时带电子空穴传导的质子导体固体氧化物燃料电池的电化学性能,并进行了理论计算。探讨了输出电流密度、电池温度和电解质厚度等影响。研究结果表明,与纯质子导体H-SOFC相比,由于漏电作用,带电子空穴传导的H-SOFC有更低的开路电压,但其主要电势损失仍然是由电解质的欧姆极化损失和电极的活化极化损失引起的。漏电主要发生在小的输出电流情况下,即接近开路状态。此外,电池温度越高、电解质越薄,漏电现象越严重。为了提高能源利用效率并考虑漏电行为,电池应在较小的外部电流密度和适中的温度下工作。此外,电解质厚度也不宜太薄。

无钴铁基层状钙钛矿材料作SOFC阴极的研究

通过溶胶凝胶一步法制备了铁基钙钛矿型复合阴极材料(Ruddlesden-Popper,RP),并对将其用作SOFC阴极的性能进行了评价。结果表明,经1 200℃煅烧后所制样品的组分是(La_(2/3)Sr_(4/3))FeO_(4)-(La_(4/3)Sr_(8/3))Fe_(3)O_(10)(LSF);在400℃的空气中,样品的峰值电导率为57.0 S/cm;在800℃的空气中,该样品在La_(0.9)Sr_(0.1)Ga_(0.8)Mg_(0.2)O_(3-δ)(LSGM)电解质上的界面极化阻抗为0.198Ω·cm^(2);基于300μm厚LSGM支撑的单电池,该样品用作电池阴极时的峰值功率密度可达670 mW/cm^(2),且持续工作50 h性能无衰减;LSF阴极的电化学性能优异且稳定,是一种非常具有潜力的SOFC阴极材料。

CO_(2)近零排放的光煤互补耦合SOFC发电系统热力学分析

基于超临界水煤气化合成气的成分特征,提出了一种新型CO_(2)近零排放的太阳能驱动超临界水煤气化耦合固体氧化物燃料电池(SOFC)发电系统。太阳能用于加热气化室给水以及提供煤气化反应热,气化合成气进入SOFC发电,SOFC阳极排气与纯氧在燃气轮机燃烧室内发生燃烧反应,产物为CO_(2)/H2O混合物,易于实现CO_(2)的分离捕集。研究了气化室内煤浆浓度、SOFC工作温度以及重整温度等关键参数对系统性能的影响规律,揭示了系统能量能质的分布规律及转移转化机制,上述参数分别为11.3%(质量)、1000℃以及750℃时,系统的发电效率可达到47.59%。该研究通过煤炭化学能与太阳能的互补梯级利用,结合SOFC内电化学反应及燃烧室内富氧燃烧技术,实现了CO_(2)近零排放,对实现双碳目标具有重要意义。

基于超参数优化的SOFC系统故障分类方法

固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell,SOFC)是一种高效、绿色环保新能源,是解决能源与环境危机的重要途径与必然趋势。SOFC系统数据具有高维度、非线性结构及工作状态复杂等特点。为了提高SOFC系统使用寿命,论文提出了一种基于数据驱动的固体氧化物燃料电池系统多故障分类方法。首先,利用主成分分析进行故障信息提取;然后,对降维的特征空间,采用粒子群优化算法对支持向量机进行超参数寻优;最后,构建超参数优化支持向量机分类模型。实验结果表明,该方法能够准确、有效识别SOFC系统故障类型。

中国石油首套SOFC热电联供系统开发成功

2023年8月9日,据石油化工研究院消息,中国石油首套千瓦级固体氧化物燃料电池(SOFC)热电联供系统开车成功并稳定运行超千小时。这也是国内首套高效发电、联产蒸汽并实现长周期平稳运行的SOFC热电联供系统。SOFC是一种先进的燃料电池技术,具有发电效率高。

新型阳极循环SOFC工艺模拟与分析

以50 kW固体氧化物燃料电池发电系统工艺为计算基础,通过Aspen Plus软件搭建了SOFC工艺流程计算模型,设定了模型假设和初始输入条件,讨论了原料气组成、温度、压力、循环气比例等操作条件影响情况,分析了电堆温度控制手段的思路和效果。结果表明,水汽比例、阳极循环气比例、阴极空气量3种温度控制手段均能实现温度的调控,同时3种控制手段在操作条件和联锁方面分别具有不同调控范围和适用条件。水汽比例调节适用于发电系统全局性的调节,一旦确定尽量不要轻易调整,是系统维持稳定运行的保障;阳极循环气比例在调节燃料利用转化效率方面具有重要意义;阴极空气是目前最常用的调节电堆温度的首选手段。

氨燃料电池SOFC-O^(2-)和SOFC-H^(+)的研究进展

以氨为燃料的固体氧化物燃料电池(SOFC)具有广阔的应用前景。对氨燃料SOFC——氧离子导电SOFC-O^(2-)和质子导电SOFC-H^(+)的电化学性能进行综述与评估,讨论不同电解质、电解质厚度及工作温度下氨燃料SOFC的最大功率密度。工作温度升高100℃,最大功率密度就会增加1~2倍;电解质越薄,电池性能越好。高温会造成电池热循环差、寿命短,因此亟需降低氨燃料SOFC的工作温度。为补偿降低温度造成的欧姆损失,需开发更薄、离子电导率更高的电解质。

基于模型的5kW SOFC系统操作参数寻优

为延长固体氧化物燃料电池(SOFC)的寿命、提高系统性能,以5 kW平板式SOFC系统为研究对象,在满足功率需求和温度约束的条件下,探究其通过寻优最佳的操作参数组合以实现最高的系统效率。首先采用模块化建模方法,基于工作机理建立SOFC独立发电系统的模型。其次,基于所建立的系统模型,通过定义4个操作参数,并结合系统的热电约束,形成SOFC系统效率优化问题。针对该优化问题,提出一种结合元启发式优化算法的两级优化方案,即将操作参数按照对SOFC系统的影响分为两级,对第一级操作参数进行离散取值,对第二级操作参数采用麻雀搜索算法进行优化。结果表明,所提优化方案可获得全局最优操作点,使SOFC系统满足功率需求和温度约束条件且系统效率达到最优。

高性能SOFC薄膜氧电极La_(0.6)Sr_(0.4)Co_(0.2)Fe_(0.8)O_(3-δ)-Gd_(0.1)Ce_(0.9)O_(1.95)的制备及性能评估

使用对称氧电极电池研究了La_(0.6)Sr_(0.4)Co_(0.2)Fe_(0.8)O_(3-δ)-Gd_(0.1)Ce_(0.9)O_(1.95)氧电极厚度与其电化学性能间的依赖关系。使用电化学阻抗谱测试方法在开路电压条件下测试了厚度为5μm~22μm的氧电极的电化学阻抗谱。同样制备并测试了不同厚度氧电极的燃料极支撑纽扣电池的电化学阻抗谱和循环伏安曲线。结果表明,随着氧电极厚度的变化,总极化阻抗Rp也随之变化。总极化阻抗来源于氧离子传输、氧表面交换和氧气的扩散过程;解析不同过程的阻抗可以发现,高频的氧离子传输过程与氧电极厚度的依赖性较弱;而氧表面交换过程和氧气的扩散过程与氧电极的依赖性强。通过优化氧电极的厚度能够优化氧电极的电化学性能;当氧电极为12μm时,其阻抗值达到最小值;750℃为0.034Ω·cm^(2。)基于此,在800℃、燃料气为3vol.%H_(2)O+97vol.%H2条件下,燃料极支撑纽扣电池(NiO-YSZ||YSZ||20GDC||LSCF-10GDC)的最大功率密度达到1098 mW·cm^(-2)。由于所获得电池氧电极的最优厚度仅为目前同类电池氧电极厚度的约一半,提出可商业化电池的“高性能薄膜氧电极”概念。

具有喷射制冷的SOFC/TRCC电冷联供系统4E分析

提出了一种通过跨临界CO_(2)循环(TRCC)和喷射制冷循环(ERC)回收固体氧化物燃料电池/燃气轮机(SOFC/GT)余热的新型电冷联供系统.在工程求解器(EES)软件环境下建立了系统的数学模型,从能量、㶲、环境和经济(4E)的角度对系统进行研究,分析了关键参数变化对系统性能的影响.结果表明:联供系统在设计工况下净输出功率为272.874 kW,可向用户提供15.785 kW冷负荷,系统总成本为0.288 8元/(kW·h);系统总发电效率、总㶲效率和能源综合利用效率分别为68.12%、66.60%和72.06%;增加燃料利用率或提高SOFC入口温度和增大TRCC透平入口压力都可提高联供系统的㶲效率,当空燃比达到10.88时,系统㶲效率达到最大值66.94%;增大燃料利用率和SOFC入口温度或降低TRCC透平入口压力可降低系统总成本,在空燃比为10.57时达到最小值0.280 8元/(kW·h).

基于SOFC技术的瓦斯燃料电池阳极积碳问题的研究应用

对于CH_(4)含量在6%~30%的煤矿瓦斯,一般不进行利用而直接排放,但CH_(4)在空气中有爆炸的危险,且会污染环境。CH_(4)是很好的发电燃料,CH_(4)的排放不仅浪费了能源还造成了环境污染。为解决这一问题,提出了以煤矿瓦斯为燃料的固体氧化物燃料电池SOFC技术,经过实验研究发现,在适宜的温度及O_(2)浓度氛围中,电池具有良好的电化学性能,但存在阳极积碳问题,因此提出以Mo-NiTiO_(3)作为阳极重整层材料解决阳极积碳问题,结果表明,该方法可有效解决阳极积碳问题,同时进一步提高电池的电化学性能,这说明以煤矿瓦斯作为燃料的SOFC发电技术是切实可行的。

两种8YSZ作为SOFC电解质的比较

从粒径分布、电导率、活化能、致密性及制备的模拟电池的放电性能等方面，对8mol％Y2O3稳定的ZrO2（8YSZ）（TOSOH8YSZ和JC8YSZ）作为固体氧化物燃料电池（SOFC）电解质进行了比较。结果表明：TOSOH8YSZ的平均粒径比JC8YSZ小1．20μm；TOSOH子8YSZ在1500℃下烧结的活化能比JC8YSZ低2．68kJ／mol，在800℃时的电导率高0．0032S／cm。以TOSOH8YSZ为电解质的模拟电池，在800℃时的最大功率密度比JC8YSZ为电解质的高45．45％。SEM测试表明．在1450～1500℃下烧结制备的TOSOH8YSZ的电解质膜更致密．

超临界水煤气化耦合SOFC发电系统集成及其能量转化机制

基于超临界水煤气化合成气的富氢特征,提出了一种超临界水煤气化耦合固体氧化物燃料电池(SOFC)及燃气轮机发电系统,气化产物的高温高压显焓由膨胀机回收,化学能由SOFC及燃气轮机先后利用发电,燃气轮机排气及SOFC阴极空气的大部分显热用于预热锅炉给水。在气化温度660℃、气化压力250 bar(1 bar=0.1 MPa)及气化室内煤浆浓度为11.3%(质量)条件下,系统发电效率可以达到54.01%,㶲效率为52.79%。相比于先进的1000 MW超超临界蒸汽朗肯循环燃煤电站,所提新系统可实现年减排CO_(2)39万吨。提出的煤基发电系统,进一步深化了煤炭化学能的梯级利用,实现了各子单元间的高效能级匹配,有助于实现双碳目标。