Ni/YSZ阳极材料的制备及性能研究

Ni/YSZ金属陶瓷是固体氧化物燃料电池(SOFC)目前广泛使用的阳极材料。对采用机械混合法制备的Ni/YSZ金属陶瓷的显微结构和电性能进行了研究,试样分别在1300℃、1325℃、1350℃、1375℃和1400℃烧结2h,然后在800℃、H2气氛下还原4h。测试了在不同烧结温度下生成的NiO/YSZ复合材料和Ni/YSZ金属陶瓷的密度,并计算了其相对密度。通过X射线衍射(XRD)法分析了不同试样的相组成。通过扫描电子显微镜(SEM)法和光学显微镜,观察了其微观结构,发现氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)形成了连续的网络结构,Ni颗粒均匀地分布在网络结构中,这有助于电导率的提高。用四端子法进行了电导率测试,确定了理想的烧结温度为1400℃。实验结果表明,1400℃烧结试样在800℃、H2气氛下还原4h,气孔率达到25%。在600～800℃之间,其电导率高达103.3S/cm。说明Ni/YSZ金属陶瓷适合作中温固体氧化物燃料电池(IT-SOFC)阳极材料。     

固体氧化物燃料电池用YSZ电解质纳米粉体的湿法工艺进展

综述了固体氧化物燃料电池电解质材料———钇稳定氧化锆(YSZ)纳米粉体的各种湿化学制备方法,包括溶剂蒸发法、共沉淀法、溶胶-凝胶法、水热法和低温燃烧合成工艺等,比较了它们各自的特点,并对这些方法进行了评述和展望。     

固体氧化物燃料电池研究进展

固体氧化物燃料电池是直接将化学能转化成电能的全固态化学发电装置,具有能量转化效率高,无腐蚀,燃料适应性强和寿命长等优点。介绍了固体氧化物燃料电池的阳极、阴极、电解质等核心部件,介绍了固体氧化物燃料电池存在的问题,并对未来发展前景进行了展望。     

等离子喷涂Ni/YSZ的结构调控及其电化学性能

采用不同粒径的NiO/YSZ团聚粉末分别用Ar/H2与Ar/N2等离子喷涂制备了固体氧化物燃料电池Ni/YSZ阳极,系统研究了粉末粒子的熔化状态对阳极微观结构与电化学性能的影响.结果表明粒子尺寸与等离子气体显著影响其熔化状态,XRD结果表明使用Ar/H2等离子体可促进NiO在喷涂过程中还原形成Ni/NiO/YSZ三元粒子阳极.SEM结果表明喷涂态阳极主要由均匀分布的NiO和YSZ构成.电化学性能测试结果表明,阳极的催化活性受粒子熔化程度影响显著,采用Ar/H2等离子喷涂30～50 mm粉末获得熔化程度适中的粒子制备的阳极极化阻抗在800与600℃时分别为0.22及0.59Ω·cm2,由该阳极组装的电解质支撑的单电池获得了最高的输出功率密度,在800℃时达到334 mW/cm2.     

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。     

固体氧化物直接碳燃料电池研究进展

固体氧化物直接碳燃料电池(solid oxide direct carbon fuel cell,SO-DCFC)在煤炭清洁利用方面具有独特优势,近年来受到研究人员的广泛重视.在对SO-DCFC基本概念与特点介绍基础上,对其中3个重要研究内容,即阳极反应机制、机制建模与模拟、及性能改进与优化方面的研究现状和进展进行了综述分析,指出SO-DCFC阳极反应机制与碳燃料和阳极接触方式密切相关,对其性能改进极为重要:碳燃料与阳极直接物理接触时基本不发生碳的直接电化学反应,碳燃料与CO2的气化反应是影响SO-DCFC性能的速率控制步骤:目前SO-DCFC模拟研究工作较少,应加强SO-DCFC机制建模与模拟工作;通过引入碳燃料催化气化和抑制阳极CO积炭能显著改善电池性能.     

阳极支撑固体氧化物燃料电池制备研究

制备了Ni/YS│YSZ│LSM[YSZ——Y2O3掺杂(稳定)的ZrO2;LSM——锰酸镧即La0.85Sr0.15MnO3]阳极支撑单体固体氧化物燃料电池(SOFC)。其中阳极基底、YSZ电解质薄膜和LSM阴极分别采用干压成型方法、浆料喷覆工艺和浆料涂覆法制备。考察了电池制备过程中影响电池品质的主要因素,指出基底不均匀性和焙烧升温速率过快是导致成型压力在25～250MPa范围内阳极基底翘曲和开裂的主要原因;影响阳极基底与YSZ电解质薄膜共焙烧匹配性的主要因素是成型压力、预焙烧温度和焙烧升温速率。应用扫描电子显微镜(SEM)表征了电池微观结构,YSZ电解质薄膜的厚度约为15～20mm。考察了电池电性能,800℃下,阳极H2进气流量为250mL·min-1时,电池开路电压1.0973V,最大比功率0.13W·cm-2。进一步优化电极结构,可制备高性能的阳极支撑SOFC。     

固体氧化物燃料电池研究--10%Cu-Ce0.15Zr0.85O2作阳极材料

以10%Cu-Ce0.15Zr0.85O2为阳极、Pt为阴极和参考电极,组装了固体氧化物燃料电池(SOFC)单电池并进行了测试,考察了操作温度、甲烷流量等对电池性能的影响,发现提高操作温度以及在阳极材料中添加CeO2可以显著改善电池性能。升高温度,阳极极化曲线中的极限电流密度值随之上升;阳极中CeO2含量为10%时,功率最大值由未加时的4.10 mW/cm2增大至9.76 mW/cm2,对应的电流密度由12.22 mA/cm2增大至35.7 mA/cm2。甲烷的流量对电池开路电位有显著的影响,但当甲烷流量在18 mL/min以上时,其影响已十分微弱。     

Ni/Ni-GDC双层阳极支撑型IT-SOFC性能研究

采用硝酸盐-柠檬酸溶胶-凝胶低温自蔓延燃烧法制备GDC粉末,用共压法制备了Ni O-GDC单层阳极、Ni O/Ni O-GDC双层阳极及其单电池,并测试了其性能。研究结果表明:经H2还原后,Ni/Ni-GDC双层阳极外层为多孔结构,由粒径较大的Ni粒子团形成了稳定的电子电导通道及燃料通道;内层孔隙较小、较少,Ni均匀分布于GDC构成的支撑骨架中。Ni/Ni-GDC双层阳极的孔隙率及电导率都高于Ni-GDC单层阳极,从450~700℃,其电导率比Ni-GDC单层阳极都稳定高出15%~20%。单电池的测试结果表明:Ni/Ni-GDC双层阳极支撑单电池在700、650、600℃的最大功率密度分别为0.383、0.329、0.204 W/cm2,比Ni-GDC单层阳极支撑单电池分别高出了8.95%、79.38%、84.76%。Ni/Ni-GDC双层阳极支撑单电池具有比Ni-GDC单层阳极支撑单电池更高的中温、特别是低温电化学性能。     

固体氧化物燃料电池研究进展

在所有燃料电池中 ,固体氧化物燃料电池工作效率最高 ,对燃料的要求最低。综述了固体氧化物燃料电池在国内外的研究进展 ,详细阐述了电解质材料 ,阳极材料 ,阴极材料以及连接材料的研究进展。提出了今后的工作重点 ,中温固体氧化物燃料电池是今后的发展方向     

内重整固体氧化物燃料电池控制策略研究

内重整固体氧化物燃料电池的数学模型由描述组分、质量、动量和能量守恒的偏微分方程组，以及电化学模型组成。控制系统的试验研究不仅成本非常昂贵，而且很多情况下比较困难和危险。基于一维内重整固体氧化物燃料电池的分布集总参数仿真模型，对燃料电池的控制系统进行了控制策略的研究和控制回路的设计。仿真结果表明所建立的控制系统是合适可行的，能满足负载不断变化的需要。该仿真模型不仅能有效防止电池系统外部的危险，还可以对电池内部分布特性的潜在危险情况进行在线预测和研究。     

固体氧化物燃料电池阳极侧的热质传递

针对具有多孔支撑结构的集成板式固体氧化物燃料电池,考虑燃料输配通道和多孔层内不同传质机理,描述阳极侧反应气的扩散过程以及温度和多组分反应气的速度分布。通过源项的处理反映出电池的电化学反应对热量和质量传递的影响,并考虑了温度和组分浓度对电极表面电流密度的影响及其相互耦合作用。通过数值方法对模型进行了求解,获得了三维的温度和组份浓度、速度分布,并得到了沿流程方向电极表面电流密度的变化规律。     

固体氧化物燃料电池分布式电源静态运行分析

固体氧化物燃料电池是一种有前途的分布式电源。从基本的热力学分析出发并结合质量平衡、焓平衡和熵平衡方程,该文提出一个以氢气为燃料的固体氧化物燃料电池数学模型用于静态分析。推导得出了氢气利用系数、电池堆温度和过量氧气比例这3个运行变量之间的解析关系。由于固体氧化物燃料电池在运行中必须满足多个限制,该文提出了合理运行空间的概念。该概念可以用于指导固体氧化物燃料电池的运行和控制。     

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。     

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。     

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。     

压力和温度对用于燃料电池的微型反应器内甲烷自热重整特性的影响

采用CHEMKIN化学反应动力学软件及计算流体力学软件CFD等数值方法详细探讨了在微尺度内甲烷自热重整反应中温度和压力对出口组分摩尔分数的影响和催化壁面总积碳量的影响.结果表明,当温度超过873 K,会促进水煤气转化反应的发生,导致氢气减少、水和一氧化碳增加,用于燃料电池的微型反应器内甲烷自热重整的温度不宜超过1000K,此时重整合成气中氢气的摩尔分数可达54.05%,一氧化碳的摩尔分数为9.98%;从能效、积炭和燃料电池的原料气的要求分析,用于燃料电池的微型反应器内甲烷自热重整的反应压力应低于1.8105Pa;同时在1000K左右,积炭过程和消炭过程可到达一个平衡阶段,有利于催化剂寿命的延长。