SOFC内部重整反应与电化学反应耦合机理

以经过预重整反应的混合气为原料的固体氧化物燃料电池（SOFC）内部,甲烷蒸气重整反应与电化学反应同时发生在阳极多孔介质中,二者受到不同的操作与设计参数的影响,对电池总体性能起着决定性作用。编制了三维数值模拟程序,对由多孔阳极层、气体流动管道、固体支撑平板构成的单个复合管道进行了研究。结果显示：重整反应主要发生在多孔材料靠近流动管道的薄层内,只有靠近管道入口处才能在较深处进行;电化学反应发生在多孔层与电解质的交界面处;重整反应生成的H2、CO扩散到多孔材料底部参加电化学反应;电化学反应生成的热量供重整反应使用。说明研究范围内,SOFC阳极复合通道具有较好的传热、传质性能,化学/电化学反应存在较好的耦合关系。     

中温固体氧化物燃料电池新型层状钙钛矿阴极材料Y0.8Ca0.2BaCo2O5+δ（英文）

研究了中温固体氧化物燃料电池的新型层状钙钛矿Y0.8Ca0.2BaCo2O5+δ(YCBC)阴极材料。采用柠檬酸–硝酸盐自蔓延燃烧法合成了YCBC以及YBaCo2O5+δ(YBC)粉体。X射线衍射结果表明:YCBC粉体在950℃空气中煅烧3 h能够很好地成相,而YBC粉体需要1 100℃。电导率测试结果表明:在整个测试温度350~800℃范围内,YCBC的电导率(435~506 S/cm)明显比YBC的电导率(205~323 S/cm)高。使用电化学阻抗谱技术测试了对称电池YCBC/SDC/YCBC和阳极支撑的单电池YCBC/SDC/Ni-SDC的电化学性能。以H2为燃料气(含体积分数3%水蒸气),空气为氧化剂,650℃时单电池YCBC/SDC/Ni-SDC的最大输出功率为351 mW/cm2。目前研究表明YCBC是具有潜力的中温固体氧化物燃料电池阴极材料。     

固体氧化物燃料电池阴极材料La1.2Sr0.8Co0.8Ni0.2O4+δ的研究

以聚丙烯酸、柠檬酸和尿素三种复合配体作为络合剂,采用溶胶凝胶法制备成La1.2Sr0.8Co0.8Ni0.2O4+δ前驱物,经800℃煅烧获得阴极粉体。利用丝网印刷法将LSCN和GDC制备成复合阴极。利用XRD、TEM、ED、SEM、压汞仪和电化学工作等分别对LSCN粉体的物相、结构和电极的形貌、孔结构和电性能等进行了表征。研究结果表明,800℃煅烧获得了颗粒尺寸约为80nm、正交晶型结构的La1.2Sr0.8Co0.8Ni0.2O4+δ阴极粉体,单电池以含水蒸气的H2为燃料在750℃得到了稳定的电性能。     

钙钛矿阳极固体氧化物燃料电池在CO–CO2燃料下的性能和稳定性

以原位析出纳米Co–Fe颗粒的La_0.4Sr_0.6Co_0.2Fe_0.7Nb_0.1O_3–δ(LSCFN)钙钛矿为阳极,考察了直接使用CO–CO₂燃料时的阳极结构演变、单电池电化学性能和稳定性。结果表明:在CO燃料中,ABO₃钙钛矿结构LSCFN转变为A₂BO₄层状钙钛矿结构;在CO中引入少量CO₂后,LSCFN则以单钙钛矿结构为主,并有效抑制了碳沉积。单电池在CO燃料下的最大功率密度可达0.6 W/cm²(850℃),并在n(CO):n(CO₂)=5:1(摩尔比)燃料下运行超过100 h。     

对称双阴极固体氧化物燃料电池阴极流道影响的数值模拟

基于热-电-力-化学多物理场耦合理论,针对对称双阴极固体氧化物燃料电池建立了一个三维数值模型,设计出一种具有强化传质能力的Ⅰ型流道,并与传统Z型阴极流道电池中流道的气体流动速率、氧气摩尔分数、压损、温度、应力分布以及电化学性能进行了对比研究。结果表明:在0.6 V工作电压下结构优化后的阴极Ⅰ型流道与传统Z型流道相比,传统Z型的氧气浓度分布差约为58.6%,优化Ⅰ型流道的氧气浓度分布差约为38%,氧气分布更加均匀,优化Ⅰ型流道相较于传统Z型流道压降损失减少约36%,随着工作电压的减少,电池的浓差极化损失越小,能够有效提升电池性能。     

质子导体固体氧化物燃料电池模拟研究的进展

质子导体固体氧化物燃料电池(H-SOFCs)具有全固态结构及燃料适用性广等优点,对于解决世界能源短缺和改善环境污染等问题存在巨大潜力.本文首先介绍了H-SOFCs的工作原理,然后对电化学模型建立过程进行综述,最后指出在电池堆电化学模型研究中需注意的问题.     

以Ni-YSZ和Sm0.5Sr0.5Fe0.8Cu0.2O3-δ为电极的微管固体氧化物燃料电池的制备及电化学性能（英文）

分别以Ni-YSZ中空纤维为阳极和Sm0.5Sr0.5Fe0.8Cu0.2O3–δ–Sm0.2Ce0.8O1.9（SSFCu-SDC）为阴极制备了微管固体氧化物燃料电池（SOFC）。利用扫描电子显微镜（SEM）、电化学工作站表征了微管单电池的显微结构与电化学性能。SEM分析表明,采用相转化法制备的Ni-YSZ中空纤维阳极呈特殊的非对称结构,主要由中间海绵状结构和内外两侧的指孔状多孔结构构成。通过真空辅助浸渍涂覆法和与阳极共烧技术在阳极支撑体上制备了致密的YSZ电解质膜和SDC过渡层。分别采用湿氢为燃料和静态环境空气为氧化剂测定了制备的微管单电池在650～750℃时的电化学性能。结果表明,该微管单电池具有高的输出性能,在750、700℃和650℃时的最大功率密度分别可达到485.9、382.7mW/cm2和260.3mW/cm2。     

基于COMSOL的多孔介质热-流-变形耦合数值模拟

针对在稠油热采过程中,将高温高压流体注入油藏多孔介质所引起的岩石骨架变形、储层压力增大和油藏温度变化等问题,基于达西定律,应用连续介质力学和能量守恒定律,建立了稠油热采过程中的热-流-变形耦合方程,对基于REV尺度建立的多孔介质进行数值模拟计算和分析。结果表明：增加渗透率对多孔介质的效果优于增加入口温度和压力;增加入口压力能够增加热量传递速度;增加入口温度会导致骨架变形量增大,岩石破裂。     

新型陶瓷连接材料(Pr0.5Nd0.5)0.7Ca0.3CrO3–δ–Sm0.1Gd0.1Ce0.8O1.9的制备与性能

采用络合燃烧法制备(Pr0.5Nd0.5)0.7Ca0.3CrO3–δ(PNCC)–Sm0.1Gd0.1Ce0.8O2–δ(SGDC)复合陶瓷连接材料。利用X射线衍射仪和扫描电子显微镜对烧结体的物相和微观结构进行了表征,采用四端探针法测量电导率。结果表明:PNCC和SGDC在高温烧结时具有稳定的物相和良好的化学相容性,SGDC掺杂量为5%(质量分数)的样品,在1400℃烧结5h,相对密度高达97.1%;700℃时,烧结陶瓷体在空气和氢气气氛中的电导率分别为47S/cm和4S/cm;室温至1000℃范围内,样品的热膨胀系数为10.4×10–6K–1,与中温电解质的热膨胀系数接近,说明SGDC掺杂的PNCC体系有望成为良好的中温固体氧化物燃料电池复合连接材料。     

固体氧化物燃料电池发电系统的模拟与优化

固体氧化物燃料电池是21世纪最有希望作为分布式电源和大型电站的清洁高效的发电技术之一。针对1MW固体氧化物燃料电池发电系统,建立了描述SOFC电池堆电化学过程和特性的模型,并在此基础上建立了基于Aspen Plus软件平台的SOFC发电系统模型,对其系统参数进行了灵敏度分析和优化。     

中温固体氧化物燃料电池阴极材料Bi1-xCaxFeO3-δ的制备及其性能

开发具有优异电化学活性的阴极材料对中温固体氧化物燃料电池(IT-SOFC)的应用至关重要.采用固相法制备无钴阴极材料Bi1-xCaxFeO3-δ(BCFx,x=0.1、0.2和0.3),通过该体系材料的物相结构、电导率、氧传输特性以及电化学性能研究表明,950℃时可以合成具有单相钙钛矿结构的Bi1-xCaxFeO3-δ...     

氨燃料固体氧化物燃料电池性能研究进展与展望

氨是一种零碳燃料,也是富氢载体,具有较大储运优势。固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell, SOFC)是一种清洁高效发电装置,在分布式发电、热电联供、储能调峰等领域有广阔应用前景,氨气可直接用作SOFC阳极燃料以实现高效、清洁、低成本发电。首先简介了质子传导型和氧离子传导型氨SOFC的工作原理,电解质、电极材料的选择以及氨气在阳极的分解过程。其次总结了氨SOFC的实验研究现状,以单电池最大功率密度为评价指标,综述了不同电解质/电极材料、电解质厚度、操作温度等因素下两种传导类型的氨SOFC的性能表现,并分析了造成电池性能差异的原因。之后介绍了氨SOFC当前面临的挑战,最后对氨SOFC未来研究方向、热电联供系统的应用进行了展望。     

用于固体氧化物燃料电池的Zn掺杂BaZr0.7Pr0.1Y0.2O3-δ质子导体电解质的制备与性能

采用柠檬酸–硝酸盐燃烧法制备了质子导体固体氧化物燃料电池(SOFC)电解质材料BaZr0.7Pr0.1Y0.2O3–δ(BZPY)和BaZr0.7Pr0.1Y0.16Zn0.04O3–δ(BZPYZn)。研究了Zn掺杂对材料烧结、热膨胀系数和电性能的影响;利用X射线衍射仪和扫描电子显微镜对样品物相和微观结构进行了表征。结果表明:BZPYZn经1 100℃煅烧5h后呈单一的钙钛矿结构。随烧结温度的升高(从1 300℃到1400℃),BZPYZn陶瓷体的晶粒尺寸增大,而孔隙率减小;1350℃保温5h烧结的BZPYZn陶瓷样品的相对密度达到97.3%;500～800℃范围内,离子电导率介于10–3～10–2S/cm之间。室温至1 000℃范围内,样品的热膨胀系数为9.2×10–6/K,表明其与电极材料(Ni)的热匹配性好。预示BZPYZn有望成为良好的质子传导型中温SOFC电解质材料。     

Ni-Ce0.8Gd0.2O1.9阳极孔隙对中温固体氧化物燃料电池性能的影响（英文）

通过将40、400nm石墨与NiO-GDC水浴搅拌混合,将400nm石墨与NiO-GDC机械研磨混合制备得到3种阳极孔隙大小及分布不同的NiO-GDC复合阳极片及单电池片.阳极片扫描电子显微镜测试结果表明:在40、400nm石墨与NiO-GDC水浴搅拌混合得到的阳极片中孔隙分布均匀,但前者孔径较小,后者孔径相对较大.而400nm石墨与NiO-GDC机械研磨混合得到的阳极片中可明显观察到尺度达到几十微米的不均匀分布的大孔.阳极电导率及单电池电化学性能测试结果表明:阳极孔隙越小,分布越均匀,则电导率和单电池的电化学性能越好.40nm石墨与NiO-GDC水浴搅拌混合得到的阳极片还原后的电导率最高,其单电池的电化学性能最好,其在600,650和700℃时的最大功率密度分别为0.173,0.310,0.445W·cm-2.     

高超声速飞行器流-热-固耦合数值模拟

选用HiFire-1锥体部分作为研究对象, 采用顺序耦合方法, 对飞行器锥体的流-热-固耦合场进行了研究分析。在外流场的数值模拟中采用Transition k-kl-w湍流模型准确计算出了转捩位置和热流数值, 在温度场和应力场的数值模拟中计算了气动加热1 s时温度场和应力场的分布, 温度最高点和变形最大处均出现在头锥顶端, 温度在轴线方向上呈现环状的分布, 沿轴线逐渐降低, 整体结构的弹性变形和温度正相关, 且主要变形区域集中在前端高温区。     

固体氧化物燃料电池热应力失效研究进展

固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种高效率、燃料灵活、全固态的燃料电池,是世界各国竞相研究开发的重点。其长期在高温下运行,运行部件之间材料属性差异较大,内部不可避免产生的热应力引起的部件损坏失效问题比较严重,严重阻碍其商业化应用。SOFC的热力失效问题不同尺度下有不同的表现形式和机理,本文从电堆、单电池和电极多个尺度综述了目前国内外学者相关的研究工作和进展,并对此做出评述和展望,提出了未来值得进行的研究内容,为SOFC热力失效问题的研究提供指导。     

固体氧化物燃料电池复合电解质粉体BaCe0.8Y0.2O3–δ-Ce0.8Gd0.2O1.9的制备及表征

用分步硝酸盐-柠檬酸凝胶燃烧法制备新型混合离子传导复合电解质粉体BaCe0.8Y0.2O3-δ-Ce0.8Gd0.2O1.9[BCY-GDC,摩尔比n（BCY）：n（GDC）=1：1],研究不同烧结温度下制备的BCY-GDC电解质片的性能,以及以BCY-GDC为电解质的单电池的电性能。结果表明：采用该法可以获得分布均匀的BCY-GDC粉末,平均晶粒尺寸约为40nm;BCY-GDC复合电解质的相对密度随着烧结温度的升高而不断增大;1450℃烧结5h的电解质片基本达到完全致密,且BCY、GDC两相分布均匀,并且随着烧结温度的升高,复合电解质片的电导率增大;以BCY-GDC为电解质的单电池在450℃的开路电压达到0.95V,700℃的最大功率密度达到0.4W/cm2。     

应用于大尺寸平板型固体燃料电池电堆的Al2O3-SiO2-CaO基密封材料软化特性及其验证

设计研制了Al₂O₃-SiO₂-CaO基密封材料,对其高温晶化与软化、热性能、界面黏结特性开展了原位观察,并进行了电堆实际应用验证。结果表明:在不高于1 100℃时该密封材料均为非晶态,850℃开始软化,900~1 000℃出现球化。热重分析表明密封材料在0~960℃的质量损失较小,约为0.06%;密封材料与连接板、电池界面黏结紧密,利于固体氧化物燃料电池(SOFC)电堆密封应用。采用研制的密封材料组装了2个5单元SOFC短堆,分别进行了热循环与稳定性研究。结果表明:2个5单元电堆的开路电压达到6.0 V,平均开路电压1.2 V,电堆1热循环前后在35 A(0.56 A/cm²)条件下输出功率为运行无衰减,电堆2在27 A(电流密度0.43 A/cm²)进行恒流放电,运行300 h较为稳定。     

固体氧化物燃料电池复合电解质粉体BaCe0.8Y0.2O3–δ–Ce0.8Gd0.2O1.9的制备及表征

用分步硝酸盐–柠檬酸凝胶燃烧法制备新型混合离子传导复合电解质粉体BaCe0.8Y0.2O3–δ–Ce0.8Gd0.2O1.9[BCY–GDC,摩尔比n(BCY):n(GDC)=1:1],研究不同烧结温度下制备的BCY–GDC电解质片的性能,以及以BCY–GDC为电解质的单电池的电性能。结果表明:采用该法可以获得分布均匀的BCY–GDC粉末,平均晶粒尺寸约为40nm;BCY–GDC复合电解质的相对密度随着烧结温度的升高而不断增大;1450℃烧结5h的电解质片基本达到完全致密,且BCY、GDC两相分布均匀,并且随着烧结温度的升高,复合电解质片的电导率增大;以BCY–GDC为电解质的单电池在450℃的开路电压达到0.95V,700℃的最大功率密度达到0.4W/cm2。     

天然气内重整和外重整下SOFC多场耦合三维模拟分析

内重整（IR）和外重整（ER）是固体氧化物燃料电池（SOFC）以天然气（NG）为燃料时的两种工作方式,不同重整方式下的电池性能、效率也不尽相同。借助有限元分析软件COMSOL Multiphysics^? 5.2,以天然气为燃料,建立了电池组成为Ni-YSZ//YSZ//LSCF-GDC的ER-SOFC和IR-SOFC两种三维单电池模型。模拟结果表明：相同条件下,IR-SOFC具有比ER-SOFC更高的功率密度、燃料利用率和能量利用率;阳极重整反应主要发生在靠近燃料入口的区域内;H₂和CO含量在IR-SOFC中先升高后降低,在ER-SOFC中则一直降低;IR-SOFC的温度变化更剧烈,燃料入口处温度梯度最大;越靠近集流体的区域,电解质表面的离子电流密度越大;ER-SOFC阳极不会发生热力学上的积炭现象,对于IR-SOFC,CH₄热分解反应是整个阳极发生积炭的主要原因,其在燃料入口处的积炭活性高达270。