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。

Ca_(2)Fe_(2)O_(5)催化剂对半焦基DC-SOFC性能的影响

半焦与CO_(2)的气化反应速率是影响半焦燃料基DC-SOFC电池性能的关键。为提高半焦的CO_(2)气化反应性,采用柠檬酸溶胶-凝胶法制备了具有钙钛矿结构的Ca_(2)Fe_(2)O_(5)催化剂,用SEM、XRD、XPS、低温氮气吸脱附等分析手段研究了Ca_(2)Fe_(2)O_(5)催化剂的形貌和结构,采用热重分析实验研究Ca_(2)Fe_(2)O_(5)催化剂对半焦燃料的CO_(2)气化反应催化活性;在Ag-GDC|YSZ|GDC-Ag电解质支撑电池系统上,研究了添加Ca_(2)Fe_(2)O_(5)催化剂对半焦燃料基DC-SOFC输出性能的影响。结果表明,随着催化剂焙烧温度的提高,Ca_(2)Fe_(2)O_(5)催化剂晶粒尺寸逐渐增大、比表面积降低,750℃焙烧的催化剂具有良好的分散性、颗粒尺寸约为0.1μm,在半焦的CO_(2)气化反应中催化作用最好;相较于CaO和Fe2O3,Ca_(2)Fe_(2)O_(5)催化剂结构中吸附氧浓度更高,在半焦的CO_(2)气化反应中表现出更为优异的催化活性;Ca_(2)Fe_(2)O_(5)催化剂的循环稳定性取决于催化剂结构的热稳定性,其循环使用时活性降低主要归因于半焦燃料中无机灰分的包裹。催化剂对DC-SOFC输出性能影响表明,当半焦中添加10%的Ca_(2)Fe_(2)O_(5)催化剂时,电池的峰值功率密度从15.3 mW/cm^(2)增大到23.7 mW/cm^(2);EIS分析表明阳极传质阻力是影响DC-SOFC输出性能和燃料利用率的主要因素,降低灰分、催化剂累积带来的传质阻力可有效提高电池寿命和燃料利用率。

节流式燃/氧分离组合固体发动机推力性能调节数值研究

节流式燃/氧分离组合固体发动机将燃烧室分为富燃燃烧室和富氧燃烧室,采用富燃固体推进剂和富氧固体推进剂串联装填的形式,在两个燃烧室中间增加节流阀,通过调节节流阀开度实现推力调节。利用商业软件对节流式燃/氧分离组合固体发动机在节流阀流道半径不同时的工作状态进行模拟,研究节流式燃/氧分离组合固体发动机的工作特性,获得节流式燃/氧分离组合固体发动机燃气流动和掺混特征,揭示节流式燃/氧分离组合固体发动机推力调节机理以及节流阀流道半径对节流式燃/氧分离组合固体发动机燃烧效率的影响规律。研究发现:节流阀流道开度(即节流阀流道半径R)减小可增大发动机推力;随着节流阀开度的减小,节流阀出口燃气马赫数随之增大,而发动机燃烧效率却出现先增大后减小的规律,当节流阀出口燃气流动达到临界状态时发动机燃烧效率出现最大值。

节流式燃/氧分离组合固体火箭发动机动态工作过程数值研究

利用商业软件ANSYS Fluent对节流式燃/氧分离组合固体火箭发动机动态工作过程进行数值研究,揭示该发动机基本动态工作过程以及节流阀作动速度的影响。结果表明,节流阀作动会导致发动机富氧燃烧室压强、节流阀出口质量流量以及发动机推力出现负调现象;节流阀作动速度差异不影响发动机调节后的稳定工作状态;随着节流阀作动速度增大,发动机达到稳定工作状态所需时间逐渐缩短,实现性能调控的响应速度增快,但发动机各参数负调量也随之增大,从而增加了发动机发生振动的风险。

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.

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。

基于应用场景的未来技术识别

[研究目的]未来技术作为传统产业的转型动力及未来产业的形成基础,从技术的应用及其产业化视角出发,进行未来技术的识别与预测,对我国布局未来产业、增强发展优势具有重要意义。[研究方法]从技术单元与技术方案出发,构建基于应用场景的未来技术识别模型。首先,利用LDA主题模型对专利的用途进行主题聚类,识别技术的主要应用场景;其次,利用KeyBERT算法从专利的标题和新颖性文本中提取技术方案关键词,从技术方案的新颖性、关联性和重要性出发,筛选前沿技术方案;最后,定义产生前沿技术方案的技术单元为潜在未来技术,构建“技术影响力-技术生长力”坐标图,进行未来技术识别。[研究结论]以固体氧化物燃料电池领域为例进行实证研究,识别出13项未来技术,主要为SOFC批量化制造、可控性运行和实际化应用的技术,揭示了识别方法的有效性。

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。

城市生活垃圾固体替代燃料的制备技术及应用

针对城市生活垃圾等固废产生量日益增多、组分复杂,处置时易产生温室气体,对其有效管理和碳减排成为当前关注的热点。介绍了城市生活垃圾处理现状及国内外固体替代燃料标准,叙述机械生物处理技术中包含的生物干化、机械分选技术等工序,分析了固体替代燃料燃烧过程中存在的潜在问题,结合城市生活垃圾常规处理和机械生物处理工艺效果,获得机械生物处理后的固体替代燃料热值达到10536 kJ/kg,比原生垃圾热值提升了3倍,且不需要添加辅助燃料进行燃烧。固体替代燃料在水泥、电力等行业应用能提高资源有效再利用,减少化石燃料的使用,对节约成本、保护环境以及推进我国垃圾分类和碳中和进程具有重要意义。

以掺氢天然气为燃料直接内重整固体氧化物电池堆的稳定性

本文研究了掺氢天然气直接内重整平管型固体氧化物电池短堆的长期稳定性和衰减机理。通过约3000小时的实测实验,结果显示,电堆的总体衰减率为2.3%·kh^(-1),电堆中三个金属连接板的面积比电阻分别增加了0.276Ω·cm^(2)、0.254Ω·cm^(2)和0.249Ω·cm^(2),但电堆中两个电池的电压反而分别增加了3.38 m V·kh^(-1)和3.78 m V·kh^(-1)。电堆衰减主要由金属连接件表层氧化及其与阴极集流层材料反应生成Sr CrO_(4)物质,两者共同作用增大了电池与金属连接体间的界面电阻所致。结果表明,以掺氢天然气为燃料直接内重整平管型固体氧化物燃料电池电堆具有良好的稳定性。本文工作为掺氢天然气在固体氧化物燃料电池堆中的直接内重整应用提供了理论参考与实验依据。

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。

S44535铁素体不锈钢高温氧化行为

为了探究稀土La对S44535铁素体不锈钢高温氧化行为的影响,采用加速氧化对添加0.26%La的S44535钢在800、900、1000℃下的静态空气中进行高温氧化研究。采用恒温氧化法对比S44535铁素体不锈钢在三种温度下的氧化动力学曲线,用扫描电镜(SEM)、能谱分析仪(EDS)和X射线衍射(XRD)对钢的氧化层进行表征分析,探究了稀土La对铁素体不锈钢高温抗氧化性能的影响。结果表明,氧化产物主要为Cr2O3和MnCr2O4,随着温度的升高,表面氧化膜增厚且更加致密,其外层富含Mn,内层富含Cr,说明稀土改变了氧化膜的生长方式,且呈现出较为优异的高温抗氧化性能。

我国西部农村地区固体燃料燃烧污染物排放因子测定及分布特征

排放因子是估算污染物排放量的重要参数,为获取可靠的、有区域特征的固体燃料排放因子,2018年在我国西部9个省/自治区利用稀释采样系统入户收集了226个固体燃料燃烧样本,获得了薪柴、秸秆和煤在不同类型炉具中燃烧排放CO_(2)、CO、OC、EC、PM_(2.5)的排放因子。结果表明:秸秆类较易燃烧的燃料有较高的OC、EC、PM2.5排放因子,煤有较高的CO_(2)、CO排放因子。炉灶类型对薪柴的OC、PM2.5的排放因子影响稍大,薪柴在炕中燃烧的OC、PM_(2.5)排放因子比在砖灶和铁炉高约2-3.1倍,但秸秆在不同炉具中的排放因子差异较小。受不同区域燃料和炉灶类型以及操作习惯差异的共同影响,排放因子呈现明显的区域性差异,高CO_(2)排放因子分布在以煤为主要燃料的区域,高OC、EC、PM_(2.5)排放因子分布在以生物质为主要燃料的区域,并且CO、OC和PM_(2.5)排放因子的区域分布呈现一定的相关性。

旋转爆轰发动机内煤粉-氢气两相爆轰流场数值研究

旋转爆轰发动机因其较高的热循环效率在航空航天领域备受关注。为了研究气固混合燃料在空气氛围中的旋转爆轰特性,在圆柱坐标系中建立了气固混合相燃料爆轰理论模型,并基于三维守恒元与求解元方法,对圆盘形燃烧室内的爆轰过程进行三维数值模拟。计算获得了气固混合相旋转爆轰波稳定传播时的流场结构,分析了爆轰流场的热力学参数分布特征、化学反应区分布以及旋转爆轰波后的波系分布特点。研究结果表明,微米级煤粉在氢气辅助作用下可快速反应并支持旋转爆轰波的稳定传播,但因盘形燃烧室的扁平结构特征和非预混喷注方式,导致爆轰波波阵面呈现为不规则的曲面。煤粉和氢气射流穿透空气层的能力差异导致气固混合燃料的化学反应区发生分离,最终以双反应区的爆轰组织形式支持旋转爆轰波稳定传播。旋转爆轰波不规则的曲面结构使其在扁平的燃烧室中发生多次反射,进而在爆轰波后有规律地出现多道反射激波。

SOFC复合孔隙阳极材料的制备及性能研究

使用共流延工艺分别制备了以不同配比可溶性淀粉和碳纤维混合物作为造孔剂的阳极支撑型固体氧化物燃料电池(SOFC),阳极支撑层具有不规则的球型和直线型交错的复合孔隙,造孔剂总质量分数均为10%。电池以(Y_(2)O_(3))0.08(ZrO_(2))0.92(8YSZ)及Ni作为阳极材料,其中Ni与8YSZ的质量比为1∶1,以8YSZ作为电解质材料,以(La_(0.75)Sr_(0.25))0.95MnO_(3±δ)(LSM)及8YSZ作为阴极材料。使用氢气作为燃料测试了各电池在750℃下的电化学性能,结果表明,淀粉与碳纤维质量之比为1.5的复合造孔剂所制备电池的功率密度最高,可达0.199 W/cm^(2)。扫描电子显微镜法(SEM)图像显示,淀粉和碳纤维在阳极支撑层中所形成的复合孔隙相互交织,连通性较好,具有较理想的微观结构。

天钢降低烧结固体燃耗实践

针对天钢360 m^(2)烧结机固体燃耗偏高的问题,通过点火器改造,松料器改造,提高混合料料温,优化燃料粒级组成,降低系统漏风率等措施,强化烧结过程,优化后烧结料层厚度稳定在950 mm以上,成品率提高到84.57%,烧结利用系数提高到1.653 t/(m^(2)·h),固体燃耗降低到44.85 kg/t以下。

燃料燃烧特性及其对烧结烟气CO排放的影响

本文采用热重分析试验开展焦粉和洗精末的燃烧特性分析,随后通过烧结杯试验探究不同燃料结构和粒度分布下燃料的燃烧行为对烧结烟气中CO排放的影响,从烧结CO生成机理分析出发,深入解析了固体燃料在热解和燃烧过程中固体碳的反应机制,阐述了烧结燃料结构与粒度分布变化导致料层内部温度及氧势变化对燃料燃烧产生CO的不同影响。结果表明,随着洗精末比例的逐渐提高,烟气中CO体积分数逐渐上升,尤其在洗精末配比超过50%后,CO体积分数由2.12%显著上升到2.60%,燃料粒级分布改善后烟气中的CO体积分数有较明显的下降,降幅约为39.5%。因此,适当的增加烧结燃料中洗精末的配比再配合燃料粒度的提高可以有效降低烧结烟气中CO的排放。

Co掺杂La_(1.5)Ca_(0.5)NiO_(4+δ)阴极材料的电化学性能

采用溶胶凝胶法合成一种Ruddlesden-Popper(R-P)型富钴的新型层状钙钛矿型阴极材料La_(1.5)Ca_(0.5)Ni_(0.2)Co_(0.8)O_(4+δ)(LCNC),并进行了电化学性能测试。结果表明,LCNC在空气中400~800℃下的电导率为4~58 S/cm,优于多数SOFC阴极材料;在800℃下测得对称电池LCNC|LSGM|LCNC的极化阻抗为0.16Ω·cm^(2),该电极基于300μm厚La_(0.9)Sr_(0.1)Ga_(0.8)Mg_(0.2)O_(3-δ)(LSGM)支撑的单电池的最大功率密度为527 mW/cm^(2),且连续工作50 h后单电池性能仅略微衰减;LCNC是一种具有潜力的SOFC阴极材料。

SDC/YSZ/GDC复合电解质膜燃料电池研究

在钐掺杂的氧化铈(SDC)主电解质层上利用射频磁控溅射法沉积了氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)电子阻隔层和钆掺杂的氧化铈(GDC)化学隔层,制备了SDC/YSZ/GDC多层复合电解质膜及电池。对复合电解质膜的固体氧化物燃料电池进行了物相分析、微观结构表征和电化学性能测试。结果表明,复合电解质膜有效提升了电池的开路电位(OCV)和最大输出功率密度,这是因为复合电解质膜具有较高的离子电导率和电子电阻。

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。