管式固体氧化物燃料电池非稳态数值研究

建立了一个既可以描述管式固体氧化物燃料电池的稳态性能又可以描述其非稳态性能的数学模型。考虑了造成电池输出损失的三种极化现象：欧姆极化、活化极化和浓差极化。在传热模型中，除了考虑传导和对流换热外，也考虑了电池和空气进气管之间的辐射换热。分析了平均电流密度、燃料和空气进口温度和流量对电池稳态和非稳态性能的影响。计算结果表明，稳态下电池固体部分的最高温度位于电池的中部；对于同一幅度的平均电流密度的阶跃变化，电池从最初的稳态到达新的稳态所需的响应时间随各种操作参数的改变而变化。     

基于H-SOFC阴极材料的研究进展

围绕目前适用于质子导体作为电解质的固体氧化物燃料电池(H-SOFC)的阴极材料的研究进展,着重综述钙钛矿结构、LnBaCo_2O_(5+δ)系列及非钴基阴极材料在各种质子导体电解质上的电导率、热膨胀性能和电化学性能。     

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。     

Nafion膜厚度对质子交换膜燃料电池性能的影响

采用不同厚度Nafion膜 (Nafion 117,115 ,1135 ,112和 10 1)组装质子交换膜燃料电池 (PEMFC) ,通过测试电池极化曲线 (U/I) ,研究Nafion膜厚度对PEMFC工作性能、氧气还原反应的电极动力学参数和电池内阻的影响 ,通过线性回归分析不同厚度Nafion膜组装PEMFC的内阻计算了Nafion膜材料的电导率。实验结果表明 :( 1)降低电解质膜的厚度将会降低电池的内阻 ,从而有利于提高PEMFC的工作性能 ;( 2 )随着膜厚度的降低 ,U0 值有降低的趋势 ,Tafel斜率b值变化不明显 ;( 3)厚膜组装电池的极化曲线在低电流密度时就偏离了线性 ,其主要原因是质子传质极化引起的 ;( 4 ) 80℃时Nafion膜材料的电导率约为 0 .0 77Ω-1·cm-1。     

质子交换膜燃料电池的阳极分析与优化

以聚集体模型描述催化层结构,自由堆积球模型计算催化层的有效质子和电子传导率,建立了质子交换膜燃料电池(PEMFC)的二维稳态数学模型,目的是研究阳极结构和工作条件的优化。模型方程涉及气体传输、质子和电子传导以及电化学反应等过程。一致的实验数据和模拟结果验证了模型的有效性。计算结果表明,阳极气体中的水含量在一定范围内会通过膜电导率影响燃料电池性能;阳极扩散层厚度和孔率等对燃料电池无明显作用;阳极催化层中过低或过高的电解质含量会恶化PEMFC的极化行为;阳极催化层的催化剂载量还有进一步降低的潜力。     

固体氧化物燃料电池阴极数学模型与性能分析

该文针对固体氧化物燃料电池（SOFC）的LSM/YSZ(Sr掺杂LaMnO3 / Y2O3稳定ZrO2)多孔阴极，耦合电极内部离子传导、电子传导、气体扩散与电化学反应过程，建立了全面考虑活化极化、欧姆极化与浓差极化的电极微观数学模型。模型对交换电流密度计算子模型进行了改进，揭示了温度、氧气分压对其的影响，并将三相界 (TPB )定量表示为电极微观结构参数（孔隙率，配位数，接触角等）的函数。模型计算结果与文献中实验数据吻合较好。在此基础上利用该模型对过电位、氧气浓度等参数在电极上的分布进行计算，并研究了混合导体颗粒尺寸、氧气利用率、电极厚度、孔隙结构参数对电极极化的影响。模拟结果对电极微观结构优化及电池运行提供了一定的理论指导。     

理化因素对土豆电池生物电性能的影响

土豆电池是一个复杂的蛋白酶催化的生物化学反应体系,其生物电性能受理化因素的影响非常显著。利用传感器技术研究了电导池常数、电极材料和反应温度对土豆电池生物电性能的影响。结果表明,电导池常数越小,土豆电池的电导率越大,流过电极的电流密度越大。同时,正负电极的标准电极电势差越大,土豆电池的开路电压和短路电流越大。此外,当土豆内部的温度从0℃上升到60℃时,土豆电池的开路电压呈现出先平台式上升,然后线性下降的趋势,并在40℃时达到一个约0.4 V的峰值。这种变化规律主要取决于土豆的蛋白酶活性随温度的变化。当温度高于60℃,随温度的升高,土豆电池的开路电压急剧升高,这是由于细胞膜破裂导致其电导率增加。     

PEMFC动态加载时的内阻特性

分析了质子交换膜燃料电池（PEMFC）的电阻组成,讨论了电池在不同加载策略下其电阻的动态变化情况,并结合在线测得的电池内阻值进行分析,从膜内水含量的角度讨论内阻变化原因,指出电池在不同电流密度下均对应一个相应的内阻值,电流密度越大,电池的内阻值越小;定义了起始内阻Ri的概念,发现电池动态加载时,起始内阻越小,极化程度越小;实验结果发现,电池水淹时内阻会持续下降,提出可以利用实时电池内阻的大小判断电池的实时运行情况。     

固体氧化物燃料电池集流层厚度优化

针对电解质支撑固体氧化物燃料电池(SOFC),建立了一个较为全面的二维数学模型,考虑了相互依存的离子导电过程、电子导电过程以及气体输运过程,研究了孔隙率和电极集流层厚度对电池性能的影响。结果表明:电池的输出电流密度强烈依赖于电极集流层厚度,合适的阳极集流层厚度应在20~60μm,合适的阴极集流层厚度应在250~300μm。     

燃烧区对管式固体氧化物燃料电池性能影响的数值研究

建立了一个考虑燃烧区的管式固体氧化物燃料电池数学模型。电化学模型中考虑了造成电池输出损失的3种极化现象：欧姆极化、活化极化和浓差极化。在传热模型中,除考虑传导和对流换热外,也考虑了电池和空气进气管之间的辐射换热。分析了燃烧区长度对电池稳态和非稳态性能的影响。计算结果表明,增大燃烧区的长度可以导致电池管温度的增高,并且可以缩短非稳态过程的响应时间。输出端电压和输出功率随燃烧区增大而增大,但其变化幅度很小。     

中间层厚度对具有隧穿结构的叠层电池的影响

为了提高非晶硅/微晶硅叠层电池的转换效率和稳定性,在隧穿结构中引入ZnO:B中间层,研究了中间层厚度对叠层电池短路电流密度、开路电压、转换效率等性能的影响。实验结果表明,较薄的中间层厚度,可以优化顶电池和底电池的短路电流密度,使微晶硅底电池生长致密,提高叠层电池的开路电压。采用厚度为60 nm的中间层,并优化顶电池和底电池的厚度后,制备出了初始转换效率为11.5%、衰退率在9%以内的叠层电池。     

直接硼氢化钠/双氧水燃料电池研究

采用Pt/C作为催化剂成功地组装了直接硼氢化钠/双氧水燃料电池,并考察了不同操作温度、溶液流速和浓度条件下电池的放电性能。60℃时电池的最大比功率可以达到130mW/cm2,在40℃时0.1A/cm2放电条件下电池电压约为0.7V,性能明显优于相同条件下直接甲醇燃料电池。同时研究了不同厚度电解质膜对电池性能的影响,采用Nafion117膜(厚度175mm)的电池开路电压比Nafion112(厚度50mm)高约180mV,但Nafion112在高电流密度放电时表现出了更好的性能。因此,膜厚度不仅影响电池的内阻而且还会影响反应物的相互渗透。此外,还测试了短时间恒电流放电,电池性能未出现下降,而且放电后催化层和膜仍然保持紧密结合。     

全钒液流电池极化损失研究

在全钒液流电池充放电性能研究基础上,采用原位电化学交流阻抗测试方法开展了全钒液流电池活化极化、欧姆极化和浓差极化的定量分析。结果表明,钒电池在较小充放电电流密度下,活化极化和欧姆极化是导致电压损失的主要原因。随着电流密度进一步增大,活化极化趋于平缓,而欧姆极化迅速增大,同时浓差极化也开始变得显著。在此基础上,针对充放电过程中的各类极化提出了系列解决方案,为高效率大功率全钒液流电池堆的开发奠定了基础。     

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.     

图案化膜对PEMFC阴极质量传递的影响研究

为了探究图案化膜通过影响单电池内部水气输运机制进而影响电池性能这一中间机理过程，建立了质子交换膜燃料电池的单电池模型，并进行了数值仿真计算，对比了微孔图案膜和凸起图案膜的性能，发现微孔膜的效果更佳。探究了质子交换膜阴极表面微孔的半径和数量对燃料电池性能和阴极质量传递的影响。结果表明，微孔的存在可以起到一定的微储水作用，使膜的湿润性增加，进而利于质子传导，这也是相较于凸起膜，微孔膜性能更好的主要原因。随着微孔半径的增加，膜的储水能力增大，产生的电流密度逐渐变大。随着微孔数量的增多，膜表面水含量和电流密度也有一定的升高趋势，但趋势均不太明显。     

SOFC用钙钛矿型质子传导固体电解质

钙钛矿型高温质子导体BaCeO3、SrCeO3和MZrO3在纯H2气氛中为纯质子导体,但在SOFC工作条件下,有些表现为质子、氧离子,甚至电子的混合导体,有些质子导体在CO2气氛中的化学稳定性较差.通过掺杂和化学计量比的控制,这些问题可以得到改善.介绍了钙钛矿型质子导体SOFC的工作原理、质子传输机理及SOFC用电解质的性能.     

纳米复合SDC-Li0.05ZnO电解质材料性能研究

掺杂氧化铈在低温固体氧化物燃料电池(LTSOFC)的电解质中被广泛研究并应用，而其在还原氛围中的本征电子电导和低温下(300～600℃)较低的离子电导率仍是亟需解决的问题。基于离子导体SDC和半导体Li_0.05ZnO构建半导体离子型纳米复合SDC-Li_0.05ZnO材料体系，并将其作为LTSOFC的电解质，通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)等方法对复合材料进行了实验表征。结果表明：SDC电解质通过引入半导体Li_0.05ZnO，利用电子-空穴复合机理有效抑制了电子电导，同时提升了284%的功率输出。     

全钒液流电池系统漏电功率影响因素研究

基于Simulink仿真平台,建立了多电堆串联运行全钒液流电池系统漏电回路等效模型,分析了电堆内串联单电池数量、系统盘管等效电阻、系统串联电堆数量以及系统开路电压等因素对系统整体漏电功率的影响规律及变化情况。仿真结果表明,电堆内串联单电池数量越少、系统盘管等效电阻越大、系统串联电堆数量越少、系统开路电压越小,系统整体漏电功率越小,但漏电功率的变化速率随上述各种因素的变化各有差异。该研究为全钒液流电池的多电堆串联运行系统的优化设计及风险防范提供了参考依据。     

燃料电池用高温无机质子传导材料研究进展

详细总结了小分子无机酸、无机氧化物陶瓷、KDP型无机含氢氧化物和杂多酸作为质子传导材料的研究进展,并分析了这些材料作为燃料电池用高温质子传导电解质的可行性.发现无机氧化物陶瓷电导率较低、活化能较大;KDP型无机含氢氧化物需要转变为超质子态才可以高速传导质子,解决其低温电导问题是用于燃料电池的关键;小分子无机酸电导率很高...     

氢气杂质CO对质子交换膜燃料电池性能影响建模

从CO对燃料电池性能影响的机理出发,分别对电池的电化学活化极化段、欧姆极化段、浓差极化段中CO的影响进行了探讨,并建立了CO对PEMFC的性能影响模型。提出电池在中等电流密度段电压迅速下降的原因是由于CO吸附在催化剂表面,影响了氢气氧化反应的速率,从而降低了电极的极限电流密度造成的。通过50cm2单电池的1×10-6CO影响结果对模型的输出结果进行验证,两者比较符合。