平板状阳极支撑固体氧化物燃料电池的数值模拟及性能分析

该文建立了平板状阳极支撑固体氧化物燃料电池气体输运三维模型，并对单电池作了数值模拟，分别从气体浓度分布、电势分布及浓度过电势来评价电池性能。结果表明：在高电流密度情况下，当燃料沿燃料通道方向流动未出现低燃料浓度区或产物浓度区时，电池电势在燃料流动方向上变化不大；高燃料利用率或高电流密度时，浓度过电势较高：在低反应物浓度时反应物浓度稍微变化会使浓度过电势有较大的变化；几何结构的变化对反应物在垂直于燃料流动方向阳极，电解质界面的均匀分布几乎没有影响，但对浓度过电势有一定的影响；随着阳极厚度的增大，浓度过电势也相应增大：当阳极孔隙结构参数ε/τ变大时，浓度过电势减小。     

运行参数对单体直接甲醇燃料电池性能的影响

分别在不同温度、不同燃料浓度、不同燃料进料速度下测试了单体直接甲醇燃料电池的极化曲线、功率密度曲线以及阴、阳极的极化曲线.结果表明:随着电池操作温度升高电池性能逐渐提高,阳极极化过电位明显减小;但甲醇的渗透速率也同时增大,在阴极产生混合电位,增大了阴极极化;随着进料浓度升高,阳极出现浓差极化的电流密度增大,甲醇渗透速率增加,阴极电化学极化过电位增大;在电池运行温度、阳极燃料浓度一定情况下,进料速度对电池性能影响相对较小;在所研究的电池运行参数范围内,电池温度为60℃、阳极燃料浓度为1.0 mol/L、进料速度为2.5 mL/min时电池的性能最佳,最大功率密度为61.7 mW/cm2.     

无介体微生物燃料电池阳极生物膜传质分析

针对无介体微生物燃料电池阳极侧生物膜内的传递过程建立了一维稳态扩散传输模型,模型认为底物氧化产生的电子以直接方式传递至阳极,并考虑了生物膜内电势及pH的变化,计算获得了微生物燃料电池生物膜内的底物浓度、电势、电流密度以及pH值分布,讨论了生物膜的电导率、阳极电势和缓冲液浓度对生物膜内传质特性及产电性能的影响。计算结果表明随着生物膜电导率和阳极电势的增大,生物膜内底物浓度及pH值均降低,电池电流密度升高;进口缓冲液浓度越大,生物膜内pH值越高,有利于维持阳极生物膜内微生物的活性。     

温度对阳极封闭式PEMFC性能的影响

温度是燃料电池重要运行参数,为了研究温度对阳极封闭式PEMFC性能的影响,通过Fluent软件的PEM模块模拟了不同运行温度下的单直流道阳极封闭式质子交换膜燃料电池性能。结果表明阳极封闭式燃料电池存在最佳运行温度;在低电流密度时,温度对电池性能影响较小,但在高温区影响变大;在高电流密度时,运行温度对电池性能影响较大。温度变化会使阳极流道内水、氮气的累积和氢气分布不均,这可能是温度对性能产生不同影响效果的直接原因。     

H2-CO燃料气对SOFC性能影响研究

固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种能量转换装置,使用碳氢燃料,具有很大的发展潜力.为了探究H2-CO燃料气与电极温度、进出口组分、电流密度、功率密度和超电势之间的关系,以期对SOFC的设计和运行提供帮助,建立了三维模型,并通过实验验证了模型的有效性.随燃料流量的增加,电极温度、功率密度、阴极浓差超电势先增大后减小,进出口组分改变量、燃料利用率、阳极浓差超电势减小,电流密度、活化超电势和欧姆超电势增加.H2占比越大,电池性能越好.     

基于不同电极位置的PEMFC运行特性研究

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种有巨大发展潜力的发电装置,特别适合成为新一代便携式电源和电动汽车的动力源。水是影响燃料电池性能的关键因素,良好的水管理是使其安全稳定运行和提高其性能的必要条件。在PEM燃料电池的阴极侧安装风扇,向燃料电池提供氧化剂和降低电池温度,通过实验,观察到在电池堆方向发生变化的情况下,PEM燃料电池性能及其内部传质情况会发生明显变化。实验结果发现:当电流密度较小时,电极方向对PEM燃料电池的性能影响不明显;当电流密度较大时,阳极在上、阴极在下时燃料电池性能优于阴极在上、阳极在下的燃料电池性能。     

SOFC多孔阳极内微尺度流动的Lattice-Boltzmann模拟

为了模拟阳极支撑固体氧化物燃料电池多子阳极内的微尺度流动,利用Lattice-Boltzmann方法建立了多组分气体流动模型,结合多孔介质的数值构造方法,验证了复杂多孔介质内微尺度流动模型的有效性,研究了多孔阳极微结构和燃料组分对质量传递和浓差极化的影响.计算结果表明:Lattice-Boltzmann方法适用于多孔电极内的微尺度流动模拟,阳极浓差极化与燃料组分、电流密度以及阳极微结构相关.     

质子交换膜燃料电池燃料饥饿现象

燃料饥饿的发生,将加速质子交换膜燃料电池(PEMFC)的衰减,降低电池的寿命。在燃料饥饿条件下,采用分式结构电池,对其电压、电极电势、电流分布及局部界面电势随时间的响应情况进行了在线测量。实验结果表明在燃料饥饿条件下,电池阳极侧出现"真空效应",公用管路内燃料气被倒吸进电池阳极,延缓了电池的死亡。公用管路内气体氢浓度越低,电池衰减越快。在此过程中,电池阳极中间区域局部界面电势首先上升,相应的阳极电势也逐渐升高;同时,电池中间区域电流下降,电流分布差异增大,阴极极化增大,电势相应下降。这表明电池运行过程中,气体中所含杂质在电池阳极的积累,使得电池阳极腔内氢气浓度逐渐下降并最终引起电池死亡。     

燃料电池微孔层在反极高电势下的电化学腐蚀

微孔层衰退是影响质子交换膜燃料电池寿命的重要因素之一,国内外学者对阴极微孔层衰退已经进行了广泛的研究。而电池在实际运行过程中极易发生反极,电池反极会使阳极产生高电势(1.6 V左右),可能会导致阳极微孔层衰退,目前关于阳极微孔层衰退的研究几乎没有报道。在电化学工作站上模拟了燃料电池阳极反极产生的高电势(1.6 V),对阳极微孔层电化学腐蚀进行了研究。研究发现,在反极电势下腐蚀后,微孔层疏水性急剧降低、MPL表面形成明显的孔洞、孔径减小且电池性能急剧下降,这表明微孔层发生严重的碳腐蚀,严重降低微孔层的水管理能力。该研究结果对开发抗反极微孔层具有重要意义。     

高温质子交换膜燃料电池堆的建模与仿真

高温质子交换膜燃料电池相较于传统质子交换膜燃料电池具有更快的电化学动力性,简易的水热管理以及较强的耐CO能力等优点,因此已成为燃料电池研究工作的新热点。建立了高温质子交换膜燃料电池堆的模型,研究单电池数量、电流密度、阳极进气湿度等因素对电池堆性能的影响。研究表明,Z型结构电池堆内阳极气体质量流量分布比较一致,阴极气体质量流量分布呈中间低,两侧高的趋势。单电池数量、电流密度的增大会引起气体分布不均匀性的增强,进而使电池堆电压不均匀性增大;阳极进气湿度的变化主要影响电池欧姆损失。     

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.     

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。     

Solid oxide cell R&D at Risø National Laboratory—and its transfer to technology

Risø National Laboratory has conducted R&D on solid oxide cells for almost 20 years—all the time together with industries with interest in deploying the technology when mature. Risø National Laboratory (Risø) and Topsoe Fuel Cell A/S (TOFC) have for several years jointly carried out a development programme focusing on low cost manufacturing of flat planar anode-supported cells and stacks employing metallic interconnects. The consortium of Risø and TOFC has up-scaled its production capacity of anode-supported cells to about 1,100 per week. New generations of SOFCs are being developed by the consortium, e.g. a metal-supported cell. TOFC has an extended program to develop the SOFC technology all the way to a marketable product.     

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。     

采用碳氢燃料的SOFC阳极的研究进展

Cu、CeO2/YSZ复合材料是前景很好的SOFC阳极材料。综述了采用碳氢燃料的SOFC阳极材料体系及存在的问题、阳极的极化、催化活性等方面的研究。     

固体氧化物燃料电池三维热流电化学分析

根据平板固体氧化物燃料电池(SOFC)工作原理，对其工作系统的传热传质和电化学反应建立三维热流模型和电化学模型。控制方程引入源项，质量源项表征反应物和产物的质量变化，用Darcy模型描述气体在多孔电极内的动量源项，能量源项反应系统内的化学反应热和欧姆热。以交换电流密度连接SOFC的热流和电化学模型的耦合分析，CFD软件ANSYS-CFX求解热流模型，子程序计算电化学反应。改变工作参数如气体流动方向、燃料气组分和燃料气流动速度，分析其对电池温度场及电流密度分布的影响。结果表明：燃料气和氧化气在同向进气的情况下较反向进气的温度场分布、电流密度更为均匀；加快燃料气进口速度或提高燃料气中氢气质量分数，虽然提高平均电流密度，但是最高最低温度之差也随之增加，即温度梯度变化明显，因此会引起系统热应力的增加。     

交流阻抗谱法研究燃料电池的极化阻力

电化学阻抗谱(Electrochemical Impedance Spectroscopy,EIS)是用于研究燃料电池电性能的一种重要手段,因其包含了大量的电池极化阻力等方面的信息。通过对电化学阻抗谱的分析可以得到电池的欧姆极化电阻、电化学极化电阻和浓差极化电阻等数据。分析了固体氧化物燃料电池常见的各种形状的交流阻抗谱,给出了各自的等效电路,并通过对等效电路的拟合求得了电池的极化电阻。与文献中普遍采用的直接读图法相比,拟合法得到的电池极化电阻数据更准确、更合理。     

Numerical modeling of micro single-chamber ceria-based SOFC

Performance of intermediate temperature SOFC system of micro scale single-chamber with composite electrodes alternately placed on the ceria-based electrolyte has been successfully evaluated by numerical modeling. The polarization curve was obtained through a series of calculations for ohmic loss, activation loss and concentration loss. The calculation of each loss was based on the consideration of fluid dynamics, convection of fuel-air gas mixture, diffusion and oxygen ion conduction. The performance characteristics of SOFC were quantitatively investigated for various structural parameters such as distance between electrodes and thickness of electrolyte and electrode. The effect of the inflow direction of fuel-air mixture on the performance of the fuel cell was analyzed.     

以煤层气为燃料的固体氧化物燃料电池发电系统的模拟与分析

固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell,SOFC)发电具有效率高、噪声低、排放低的优点。为评估煤层气SOFC发电系统性能,并与现有燃气内燃机发电技术进行对比,在AspenPlus模拟环境中构建了SOFC发电系统流程,研究30%和91%煤层气浓度下水碳比、电流密度、空气预热温度等参数对系统性能的影响,并与燃气内燃机发电进行技术经济性比较。结果表明,使用30%浓度煤层气时,SOFC发电效率为38.7%,略低于燃气内燃机发电效率,年CO2排放量与燃气内燃机接近;使用91%浓度煤层气时,SOFC发电效率为53.2%,高出燃气内燃机13.4%,年燃料成本降低24%,年CO2排放量相比燃气内燃机降低23%;受大量冷却空气的影响,SOFC的NOx排放是燃气内燃机的2倍。由结果可知,当煤层气浓度在30%以上时,SOFC相比燃气内燃机才具有效率优势;煤层气浓度越高,SOFC的效率优势越明显;当煤层气浓度低于30%时,建议仍使用燃气内燃机进行发电。     

流型对固体氧化物燃料电池性能的影响

固体氧化物燃料电池(SOFC)是一个伴随流动、传热和电化学反应的复杂系统,它的性能在很大程度上取决于电池的系统结构.基于容阻特性建模和分布集总参数方法,在已建立的一维内重整固体氧化物燃料电池数学模型的基础上,分别建立了顺流型和逆流型固体氧化物燃料电池的仿真模型,并比较和分析了燃料电池的稳态分布特性和动态特性.仿真结果表明顺流型固体氧化物燃料电池能更好地满足动力系统性能和安全方面的需求.