燃料电池技术及其应用

本文着重阐述了氧—氧型燃料电池、磷酸盐型燃料电池、熔融碳酸盐型燃料电池和固体高温型燃料电池的基本原理及结构,详细比较了各种类型燃料电池的优缺点,概述了国内外对燃料电池的开发现状和应用状况,并提出了在我国将开发和应用燃料电池的设想.     

直接甲醇燃料电池堆结构及活化的研究进展

直接甲醇燃料电池(DMFC)具有高比能量和更换燃料方便等优点,被认为是最有希望应用于便携电子产品(如笔记本电脑、手机、数码相机)的移动电源之一.介绍了直接甲醇燃料电池的工作原理以及活化方法,重点综述了直接甲醇燃料电池堆结构的进展,展望了未来直接甲醇燃料电池堆的研究方向.     

ZrO2基固体氧化物燃料电池中电荷输运研究

分析了以甲烷为燃料气体、空气为氧化气体的固体氧化物燃料电池中电子、氧离子在电池的阴极、阳极和电解质中的输运过程以及电子导电型电极有效反应区结构.具体研究了Pt|YSZ|Ag固体氧化物燃料电池(SOFC)的输出功率与电池运行温度的关系并与实验结果进行了对照,探讨了燃料电池中的主要电荷输运过程与电极有效反应区结构的关系以及它们对电池性能的影响因素.研究表明:在固体氧化物燃料电池中,电解质/电极/气体所形成的三相界面的结构、电极本身的导电性能和运行温度都直接影响电池的性能.     

基于电荷泵的燃料电池有源网络升压变换器

高增益DC-DC变换器是燃料电池发电技术的关键环节,有利于改善燃料电池小电压、大电流特性.但是由于传统Boost变换器存在电压增益有限、电感电流纹波大、功率器件应力高的缺陷,无法满足燃料电池发电系统并网运行的需求.该文提出一种基于电荷泵的燃料电池有源网络升压变换器,将有源网络变换器中输入侧的电感用电荷泵结构代替.该变换...     

燃料电池冰点以下低温特性研究现状

在冰点温度以下的启动问题是制约质子交换膜燃料电池产业化的技术瓶颈之一.从冷启动行为与性能衰减和恢复、低温下膜中水形态、催化层电化学性能损失、扩散层、微孔层、电极孔结构破坏等方面评述了低温操作和冷启动对燃料电池电极材料、膜电极组件和电池组性能的负面影响,并对燃料电池的冷启动解决方案和防冻措施进行了分析与评价.     

高温PEM燃料电池的流场结构设计与优化

基于500 W高温PEM燃料电池堆,主要从流道级别和流场级别,通过理论计算提出了单电池的基准方案,运用计算流体动力学软件Fluent模拟了单电池的性能.在此方案基础上考虑不同流道结构参数的影响,提出了三个优化方案,并对其进行了比较.结果表明,常温燃料电池设计准则难于应用于高温燃料电池.对于95℃的质子交换膜燃料电池,采用流道宽度1 mm,岸宽1 mm,流道高度0.4 mm的平行直流道时电池性能最佳.     

复合式燃料电池供电系统

提出了一种新型的复合式燃料电池供电系统.它是由燃料电池、蓄电池、单向变换器、双向变换器和逆变器构成.根据燃料电池的特性,提出了复合式全桥三电平LLC谐振变换器和三电平Buck/Boost双向变换器分别作为系统的单向和双向变换器运用于系统中.该结构可以优化能量管理,在冷启动过程由蓄电池向负载供电,而燃料电池不供电,系统易于冷启动;在负载突变时,可由蓄电池提供或吸收动态能量,使得系统具有很好的动态特性;在过载时,燃料电池仅提供额定功率,而过载部分能量由蓄电池提供,燃料电池的功率等级只需按照系统额定功率进行配置,从而降低整个系统的成本.最后在实验室中完成了一个1kW复合式燃料电池供电系统,并对系统进行实验研究,以验证理论分析的正确性.     

固体氧化物燃料电池密封材料发展现状

固体氧化物燃料电池是一种环境友好、发电效率高、不受卡诺循环限制的发电设备,有管式和平板式两种结构类型的电堆.平板式固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell,简称SOFC)比管式结构消耗低,能量密度高,但是密封问题却阻碍了其发展,研究化学性质稳定、热稳定性好、热膨胀系数稳定的密封材料成为刻不容缓的课题.眼下以压缩密封、硬密封两种密封方式为主.通过总结目前SOFC密封技术的发展现状,对固体氧化物燃料电池的压缩密封材料如云母、Al2O3基以及硬密封材料如玻璃陶瓷等的研究进展进行了详细的阐述,并对SOFC密封技术的发展进行了展望.     

固体氧化物燃料电池电流收集端子的结构设计

固体氧化物燃料电池通常在700～800℃高温封闭状态下工作,其电流收集端子在高温下很容易发生氧化失效。介绍了固体氧化物燃料电池的工作原理和结构,设计了固体氧化物燃料电池电流收集端子的结构,将易导电的紫铜棒套穿在不锈钢无缝管内,然后与固体氧化物燃料电池电流收集端板进行无缝焊接。采用所设计的电流收集端子结构,改善了固体氧化物燃料电池电极的导电状态,并降低了内阻。     

多孔硅在微型燃料电池中的应用研究进展

多孔硅作为一种具有特殊功能的结构材料,在燃料电池特别是微型燃料电池中,可用作扩散层、质子交换层和重整器等构件。介绍了应用于微型燃料电池的多孔硅的结构特点及其制备方法,综述了多孔硅在微型燃料电池领域中的应用研究进展。     

管式和板式固体氧化物燃料电池制备的研究

介绍了采用流延法制备板式固体氧化物燃料电池（SOFC）和化学沉浆法制备管式SOFC单电池的原料选择和制备工艺.通过试验测试,采用该工艺方法制备的两类单电池具有优良的性能.     

固体氧化物燃料电池电解质材料的研究进展

介绍了固体氧化物燃料电池(SOFC)用萤石型、钙钛矿型及磷灰石型电解质材料的结构、导电机理、性能及研究进展。存在的离子电导率较低、化学组成及相组成不稳定等问题,主要通过氧化物共掺杂及不同材料之间的复合等方法来改善。材料的复合与电解质层结构的设计,将成为电解质研究的主要方向。     

阳极支撑平板状SOFC过电势模型及分析

平板型固体氧化物燃料电池由于具有高效率、低污染物排放等特点,是未来发电的主要方向。当电池运行产生电流时,就会伴随电荷传输产生活化极化,伴随质量传输产生浓差极化,根据材料导电性的不同相应产生一定大小的欧姆极化,从而降低了燃料电池的开路电压,并对电流密度和输出功率产生影响。为了能使燃料电池更好地运行,就必须要了解对过电势产生影响的各种因素,所以建立了阳极支撑的平板状SOFC过电势模型,分析了电流密度、温度以及一些结构参数对三种过电势的影响,对阳极支撑型和电解质支撑型燃料电池的性能进行了比较。     

CO2零排放的SOFC复合动力系统分析

基于Aspen-Plus软件建立了SOFC电池堆的模型,设计了不回收CO2的SOFC复合动力系统,针对系统特点,提出了CO2零排放的SOFC复合动力系统,对这两种系统的性能进行了详细的比较和分析。CO2零排放系统利用纯氧燃烧方式得到的燃烧产物只有CO2和水蒸气,通过冷凝得到高浓度的CO2。与带CO2脱除的常规电厂相比,极大地降低了回收CO2的能耗。通过对主要参数(燃料利用率、蒸汽/碳比、运行压力等)进行优化,详细分析了各主要参数对系统性能的影响。本文研究成果将为进一步研究高效的CO2零排放SOFC复合动力系统提供有益的参考。     

高温燃料电池发电系统研究

介绍燃料电池的分类和应用技术路线,比较各种燃料电池的发电特性,分析高温燃料电池的应用前景。分析表明,固体氧化物燃料电池在大型电厂的应用具有潜在优势。应用稳态模拟软件(AspenPlus)对1000kW SOFC/GT发电系统进行了模拟,模拟结果与WestingHouse 500kW SOFC/GT发电系统设计数据比较吻合,误差小于5%。应用建立的系统模型对影响系统性能的主要参数进行了优化,系统效率提高到51.403%。     

热喷涂制备固体氧化物燃料电池的研究现状

介绍了固体氧化物燃料电池(SOFC)的工作原理和各组成元件的性能要求及其制备工艺,分析了SOFC发展过程中存在的主要问题,着重论述了基于热喷涂技术制备SOFC的国内外研究现状,以及电池结构对其输出性能的影响。     

Comprehensive summary of solid oxide fuel cell control: a state-of-the-art review

A thermoelectric generation (TEG) system has the weakness of relatively low thermoelectric conversion efficiency caused by heterogeneous temperature distribution (HgTD). Dynamic reconfiguration is an effective technique to improve its overall energy efficiency under HgTD. Nevertheless, numerous combinations of electrical switches make dynamic reconfiguration a complex combinatorial optimization problem. This paper aims to design a novel adaptive coordinated seeker (ACS) based on an optimal configuration strategy for large-scale TEG systems with series–parallel connected modules under HgTDs. To properly balance global exploration and local exploitation, ACS is based on ‘divide-and-conquer’ parallel computing, which synthetically coordinates the local searching capability of tabu search (TS) and the global searching capability of a pelican optimization algorithm (POA) during iterations. In addition, an equivalent re-optimization strategy for a reconfiguration solution obtained by meta-heuristic algorithms (MhAs) is proposed to reduce redundant switching actions caused by the randomness of MhAs. Two case studies are carried out to assess the feasibility and superiority of ACS in comparison with the artificial bee colony algorithm, ant colony optimization, genetic algorithm, particle swarm optimization, simulated annealing algorithm, TS, and POA. Simulation results indicate that ACS can realize fast and stable dynamic reconfiguration of a TEG system under HgTDs. In addition, RTLAB platform-based hardware-in-the-loop experiments are carried out to further validate the hardware implementation feasibility.     

Design of a 2-DOF-PID controller using an improved sine–cosine algorithm for load frequency control of a three-area system with nonlinearities

This paper proposes an improved sine–cosine algorithm (ISCA) based 2-DOF-PID controller for load frequency control. A three-area test system is built for study, while some physical constraints (nonlinearities) are considered for the investigation of a realistic power system. The proposed method is used as the parameter optimizer of the LFC controller in different scenarios. The 2-DOF-PID controllers are used because of their capability of fast disturbance rejection without significant increase of overshoot in set-point tracking. The 2-DOF-PID controllers’ efficacy is observed by examining the responses with the outcomes obtained with PID and FOPID controllers. The simulation results with the suggested scheme are correlated with some of the existing algorithms, such as SCA, SSA, ALO, and PSO in three different scenarios, i.e., a disturbance in two areas, in three areas, and in the presence of physical constraints. In addition, the study is extended to a four-area power system. Statistical analysis is performed using the Wilcoxon Sign Rank Test (WSRT) on 20 independent runs. This confirms the supremacy of the proposed method.     

基于析因试验的固体氧化物燃料电池热电联供系统设计参数研究

对固体氧化物燃料电池热电联供(solid oxide fuel cell combined heat and power，SOFC–CHP)系统的设计参数进行了研究，该系统由重整器、燃料电池电堆、燃烧室、2个热交换器及其它辅助设备组成。建立了系统的数学模型，以发电规模为70 kWe的系统为研究对象，运用析因试验的设计方法进行了计算机模拟试验，对系统的部分设计参数进行了析因分析。分析结果表明：影响系统发电功率的主要设计参数是燃料利用率和过量空气比率；影响系统热回收和电热比的主要设计变量是燃料利用率和水蒸汽与碳的比率，且这2个参数的交互作用较过量空气比率对系统影响显著；阴极排气再循环比率对系统热、电功率的影响甚微，不是系统的主要设计参数。整个研究工作为SOFC–CHP系统的合理设计提供了指导。     

甲烷在固体氧化物燃料电池阳极氧化性能研究

报告了甲烷在固体氧化物燃料电池（ＳＯＦＣ）阳极直接氧化的实验结果。试验表明,甲烷在阳极的氧化过程存在多种反应机制,反应机制取决于电池工作温度和反应空速等。随着温度的升高,甲烷转化率提高,Ｈ２和ＣＯ生成量也不断增加。在ＳＯＦＣ中甲烷不是按完全氧化反应方式进行,而是部分氧化反应过程。随着反应空速的增大,甲烷转化量及Ｈ２和ＣＯ的生成量呈下降趋势。研究发现,干甲烷气作为燃料时,阳极表面可能产生积碳。当电池中通入氧气或水蒸汽时可以消除积碳。在考察ＮＥＭＣＡ效应对ＳＯＦＣ电性能的影响时发现,当外加与电池内部电场同向的电场时,能促进Ｏ２－溢流到阳极表面,改变催化剂的表面功函,改善ＳＯＦＣ电性能。