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.     

两种不同阴极材料的固体氧化物燃料电池

研制了两种不同阴极材料的固体氧化物燃料电池Pt|YSZ|Ag和LSM |YSZ|Ag ,并测试了电池的开路电压与运行温度的变化关系。由实验可知 ,随着温度的升高电池的开路电压增大 ,它们的变化趋势不仅受温度的影响 ,还与阴极材料的结构、导电性能和反应机制有关。Pt|YSZ|Ag中电池Pt阴极具有电子导电性 ,电化学反应有效区域局限在三相界面 ,但Pt催化活性高 ,Pt|YSZ|Ag具有较好的中温输出性能。LSM |YSZ|Ag电池中LSM阴极具有电子 离子混合导电性 ,其电化学反应有效区域由三相界面扩展到两相界面 ,但在温度较低时LSM催化活性较低 ,在较高温度下才有高催化活性 ,因而LSM |YSZ|Ag在高温下输出性能明显提高     

甲烷在SOFC阳极中反应的条件和规律

以8%mol Y2O3稳定的ZrO2(8YSZ)为电解质、Ni-8YSZ为阳极,研究了不同电流密度、甲烷浓度和反应温度下,甲烷在固体氧化物燃料电池(SOFC)中由部分氧化到完全氧化转变的规律。在1 000℃下、甲烷浓度为4.2%时,由部分氧化转变为完全氧化的临界电流密度为0.384~0.512 A/cm2,该值与甲烷浓度及温度成正比。     

基于甲烷水蒸气重整的SOFC耦合系统性能研究

甲烷水蒸气重整固体氧化物燃料电池(SOFC)系统主要包含了甲烷水蒸气重整制氢/供气单元、SOFC电堆单元、电化学测试单元等,系统通过换热器将SOFC电堆单元的余热回收再利用,可实现能源的梯级高效利用,具有良好的发展前景.针对系统中影响因素较多的甲烷水蒸气重整供氢单元进行了研究,通过调整重整反应的不同重整温度、水碳比等影响因素,对比分析了不同工况下CH4转化率的变化规律;在最优工况下,实现了甲烷水蒸气重整制氢/供气单元和SOFC电堆单元的直接耦合,对SOFC电堆进行了性能测试,并对比分析了耦合后的系统性能,提出进一步的优化方案.     

阳极对YSZ薄膜SOFC性能的影响

研究了两种阳极对YSZ薄膜固体氧化物燃料电池(SOFC)性能的影响.NiO-YSZ阳极和NiO-SDC-YSZ阳极支撑的YSZ薄膜电池,在800 ℃时的开路电压分别为1.09 V和0.87 V,最大功率密度分别为0.86 W/cm2和0.16 W/cm2.NiO-SDC-YSZ阳极电池的电极总阻抗比NiO-YSZ阳极电池的高出58%.     

Pt/YSZ电极结构形貌对传感器特性的影响

借助交流阻抗测试技术、汽车用A/F(空气与燃料的质量比)氧传感器响应时间测量装置及SEM,对敏感材料为Y2O3稳定ZrO2多晶固体氧离子导体(YSZ)的Pt/YSZ电极结构氧传感器其特性在不同烧结温度下电极形貌的关系进行了研究,同时提出了一种有关Pt/YSZ电极界面的形貌模型,采用此模型对不同烧结温度下的电极形貌Pt/空气/YSZ三相界面长度进行了定量计算.     

基于滑膜控制器的固体氧化物燃料电池负载跟踪及温度管理

基于固体氧化物燃料电池(SOFC)的基准非线性动力学模型,针对SOFC的负载跟踪和温度跟踪系统,设计了非线性滑膜控制器(SMC),并以模型预测控制器(MPC)作为对照.在设计控制器的过程中,以电池输入空气流量、电流变化率和氢气流率为操作变量.控制结果显示,SMC能更快地跟踪负载功率和温度阶跃变化,且在稳态状况下比MPC工作更稳定.     

络合燃烧法制备LSCF-6428及其在SOFC中的应用

采用络合燃烧法以柠檬酸作为络合剂和燃烧剂于600℃下成功制备出了固体氧化物燃料电池(SOFC)的阴极材料La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.803-δ(LSCF-6428).采用XRD详细研究了LSCF-6428的成相过程及其与8YSZ[(Y203)0.08(ZrO2)0.92]电解质的反应特性.将LSCF-6428粉配制成浆后,经800℃煅烧就牢固地烧结在8YSZ表面,并且在与8YSZ接触一侧形成了一层致密层.通过扫描电镜仔细观察了电池的微观结构和LSCF-6428粉体煅烧前后的形貌变化,并据此分析了粉体具有高烧结活性的原因.最后采用伏安法和交流阻抗谱法研究了电池的电性能,结果表明,电池的峰值比功率在650、700 ℃和750 ℃下分别达到了406、558 mW/cm2和856 mW/cm2.     

用于燃料电池的氧化锆薄膜制备方法进展

固体氧化物燃料电池(SOFC)具有高效率、低污染等优点,氧化钇稳定氧化锆(YSZ)是目前用于SOFC的最成功的电解质材料,为了减小高温运行带来的困难,应用中需将YSZ制成薄膜。综述了制备YSZ 薄膜的各种方法,其中包括化学气相沉积(CVD)、电化学气相沉积(EVD)、溶胶-凝胶法(Sol-gel)和喷雾热解法等化学方法;物理气相沉积技术(PVD)和喷涂技术等物理方法;以及电泳沉积法(EPD)、注浆成型法和离心浇铸法等陶瓷成型方法,介绍了近年来采用上述方法制备的YSZ膜的性能及其用于SOFC电池研究取得的实验结果,最后评述了这些方法各自的特点。     

固体氧化物燃料电池（SOFC）发电系统示范工程（3）：日本三菱重工的SOFC系统

日本三菱重工于1984年开始开发固体氧化物燃料电池（SOFC）技术,于1986—1989年与东京电力株式会社合作研制管式SOFC电池堆,于1991年运行了1kW的SOFC电池堆,运行时间1000h。1993年,三菱重工研制新型1kW的SOFC电池堆成功,运行3000h。1996年,10kW常压SOFC连续运行5000h。1998年3月,三菱重工与电力开发株式会社合作,运行高压10kW级SOFC系统,SOFC阳极为NiO／YSZ,阴极为LaCoO3。设计参数为：（1）最大输出功率21kW;（2）效率35％;（3）燃料利用率75％。到1998年年中,运行4000h,功率输出稳定,千小时性能降低1％～2％。     

Electrical characterization of the platinum/YSZ interfaces in SOFCs via micro-contact impedance spectroscopy

The concept of micro-contact in electrodes was incorporated into AC two-probe impedance spectroscopy in order to clarify the electrode-related responses in solid oxide fuel cells (SOFCs). The pointed contact of one electrode was combined with the planar electrode as a counterpart in characterizing an YSZ (yttria-stabilized zirconia)/Pt interface of SOFCs. The micro-contact in electrodes induced the decrease in capacitance and the increase in impedance and amplified the bulk responses in YSZ due to the constricted electroding area. The bulk-related portions can be separated from the interfacial polarization of Pt, even though the electrolyte/electrode interface was found to be very sensitive to the measurement condition, i.e., the oscillating voltage. The resolved bulk and interfacial resistances were analyzed using a concept of “spreading resistance.’’ Furthermore, the electrode-related issues were ramified for the application of impedance spectroscopy to the solid oxide fuel cells.     

Investigation of the Partial Oxidation of Methane at the Interface Metal (Pt,Au)|YSZ

The reactions occurring at the electrodes of Pt|YSZ|Au cell fed with a mixture of CH₄+air were investigated at 600–850∘C. The electrodes of this cell were made from Pt and Au wires, providing a small contact area between metal and YSZ (quasi-point electrodes). The dependences of the cell voltage on the composition of gas mixture and time were studied. A sequence of chemical and electrochemical reactions was proposed to explain the observed abrupt variation of the cell voltage from positive to negative values. Also the impedances of the Pt and Au electrodes were measured and analysed in order to justify the proposed mechanism of reactions.     

平板式固体氧化物燃料电池Ni/YSZ阳极上甲烷重整过程实验研究

为了开发甲烷直接内部重整的高效固体氧化物(solid oxide fuel cell,SOFC)燃料电池系统,必须对阳极上甲烷水蒸气重整过程进行详细研究。文中搭建了实验台,对开发的平板式SOFC燃料电池多孔介质阳极上甲烷重整过程进行了实验研究。给出在不同燃料流量和不同水蒸气/甲烷比(S/C)工况下出口气体各组分的摩尔分数和甲烷转化率的分布。实验结果表明工作参数对甲烷的转化率有很大的影响,在相同工作温度下甲烷的转化率随着进口燃料流量增加而降低,因此出口气体中氢气的摩尔浓度也相应降低。另外通过分析实验结果,可见阳极的入口处最有可能有碳形成。     

管型固体氧化物燃料电池技术进展

叙述了以阴极、阳极、电解质、多孔陶瓷为支撑体的各类管型固体氧化物燃料电池(SOFC)的研发现状;介绍了西门子-西屋动力公司发展管型SOFC热电联供和联合循环发电技术的进展.发展以管型SOFC为主体的联合循环发电-热电联供的洁净能源供应系统,可提高以煤、天然气等燃料的发电效率,形成用户端的直接电、热、冷联供网络.     

10 years of materials research for solid oxide fuel cells at forschungszentrum jülich

In 1995 a fuel cell program was established at Forschungszentrum Jülich (FZJ) to combine various and independently existing activities on generic fuel cell research. As of this year, the materials development as well as the component manufacturing was focused on anode-supported cells. This contribution reviews the investigations on many materials and the fabrication processes applied for anode substrates, anodes, electrolytes and cathodes. Continuous effort on each of the components resulted in a steady progress in quality, size and performance of the solid oxide fuel cells (SOFCs). The electrochemical performance of anode-supported cells (ASC) with “conventional” electroceramic materials like lanthanum manganite as cathode, yttria-stabilized zirconia (YSZ) as electrolyte and a NiO/YSZ composite as anode and anode substrate was improved from about 0.15 W/cm² at 800^∘C to 1.2 W/cm² by optimization of processing and microstructure. Considering new perovskite materials like lanthanum cobaltite/ferrite as cathode, a power density of 1.4–1.7 W/cm² has been obtained. In addition to these strongly focused activities on ASC, FZJ has carried out R + D projects together with industrial companies for the planar and tubular electrolyte-supported cell systems (Siemens, Dornier). This review, however, also discusses efforts that were less successful for anode-supported SOFCs. As examples are mentioned here the lanthanum gallates as electrolyte materials or low-cost NiO/Al₂O₃ substrates, which are not dimensionally stable in fuel gas atmosphere.     

固体氧化物燃料电池及其混合发电系统的现状及开发

固体氧化物燃料电池（SOFC）以其高能量转换效率、高比功率、无运动部件、堆积结构以及环境友好等特点日益受到重视。文章从燃料电池本体以及基于燃料电池的混合发电系统两方面对发达国家固体氧化物燃料电池的发展进行了调查,通过不同国家开发的电池以及混合发电系统的比较分析,对今后固体氧化物燃料电池的发展起到一定的指导作用。基于对燃料电池外形尺寸、进气道的尺寸和形状等电池结构进行了分析,得出不同结构下电池性能的变化,得到了最有利于燃料电池性能的设计参数。研究结果表明,低电流时,随着多孔电极进气道孔径的增加,电池输出电压也降低;而高电流时,电池输出电压先增大后减少,在孔径为5 mm时电池输出电压最大。     

一种新型化学链制氢与SOFC集成的能量系统

提出了一种化学链制氢(chemical looping hydr-ogen,CLH)与固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel,SOFC)相结合的新型发电系统,并利用?分析法研究了该新型发电循环。在该系统中,氢气由化学链制氢子系统产生,循环材料是FeO和Fe3O4。固体氧化物燃料电池的余热在化学链制氢子系统中被利用,并通过化学链中的还原反应转化为化学能。在?平衡的基础上进行了系统关键参数的分析,并对化学链关键过程进行了研究。同时,由于化学链可以实现CO2无能耗的分离,新系统可以在分离二氧化碳的条件下实现净效率61.2%。?分析法表明,新系统获得高性能的主要原因是废热的梯级利用和高效制氢。结果表明,这种新型的热循环是实现甲烷化学能高效利用同时实现低能耗分离CO2的有效途径。     

固体氧化物燃料电池的现状和未来

简述了国外固体氧化物燃料电池 (SOFC)的发展状况及近年来取得的重要进展。首先对SOFC的工作原理进行了简单的介绍 ,然后对于传统的以氢为燃料的SOFC ,重点从成本和技术两个方面 ,比较了高温和中温反应条件下 ,燃料电池阳极、阴极、电解质和层间介质所用材质的选取 ;对于近年发展起来的以碳氢化合物为燃料的SOFC ,重点介绍了碳氢化合物氧化的间接法和直接法两种工艺流程和研究现状。最后针对以氢为燃料的高温和中温SOFC及碳氢化合物为燃料的SOFC的研究和技术现状 ,分别进行了前景展望