相转化法制备锥管状阳极支撑SOFC

利用相转化法制备了锥管状NiO-YSZ阳极支撑固体氧化物燃料电池(SOFC)。讨论了不同造孔剂对阳极支撑体机械性能及微观结构的影响,结果表明,以石墨作为造孔剂时阳极支撑体的综合性能相对较好。以氢气为燃料的单电池测试结果表明,800℃时电池的最大面积比功率为410mW/cm2。交流阻抗谱结果显示电池极化电阻是影响电池性能的主要因素。     

恒流电泳沉积YSZ电解质薄膜的燃料电池研究

采用恒流电泳沉积(EPD)的方法,在NiO-YSZ阳极基底上制备出较为致密的氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)固体电解质薄膜,1300℃共烧结5h后得到具有一定厚度的YSZ薄膜。利用SEM对YSZ薄膜的形貌与膜厚进行了表征。在此基础上,以La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3(LSCF)为阴极制成单电池,并对单电池的性能及阻抗谱进行了测试,在650℃时得到单电池的最大开路电压为0.84V,单电池在750℃时的最大电流密度为0.64A/cm2,最大功率密度达145mW/cm2;800℃时的短路电流密度接近0.9A/cm2,最大功率密度达200mW/cm2。阻抗谱测试结果表明,电解质部分的电阻占电池内阻的1/4~1/3;电极在-电解质界面处存在的孔洞对电池的性能产生了不利的影响。     

双层干压制备阳极支撑的氧化锆薄膜燃料电池

采用一种既简单又经济的双层干压法,NiO-YSZ阳极基底上制备致密的氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)固体电解质薄膜,经1400!共烧结后,得到厚度约60"130mm的YSZ薄膜。薄膜的厚度可以通过调整YSZ粉体质量来控制。测试了NiO-YSZ支撑体材料和YSZ的干压坯体烧结曲线,以确定烧结收缩率。对薄膜进行的X-射线衍射(XRD)测量结果表明,薄膜为YSZ的立方萤石结构,NiO与YSZ在烧结条件下未发生反应。以此方法制备的不同厚度的YSZ薄膜为电解质,NiO-YSZ金属陶瓷为阳极,La0.7Sr0.3MnO(LSM)阴极制成固体氧化物燃料电池(SOFC)单电池,对单电池的放电性能及其在工作条件下的阻抗谱进行了测试。电池的开路电压始终在1V左右,900!最大电流密度达1.3A·cm#2。分别在800!和900!时得到了175mW·cm#2和300mW·cm#2的最大比功率。     

重力沉降法结合共烧结法制备YSZ薄膜

采用重力沉降法和共烧结法相结合,在NiO-YSZ(氧化钇稳定氧化锆)阳极基底上制备YSZ固体电解质薄膜,在1 400℃下共烧结后,得到厚度为20 μm的YSZ薄膜.利用XRD和SEM对薄膜的相结构、形貌等进行表征.以La0.4Sr0.6Co0.2Fe0.8O3(LSCF)为阴极制成单电池,对其性能及阻抗谱进行测试.在620℃时,得到单电池的最大开路电压为0.98 V;850℃时的电流密度接近1 A/cm2,最大功率密度为180 mW/cm2.     

PSZ支撑型SOFC电堆的制备与性能测试

在管状的氧化钇部分稳定的氧化锆(PSZ)支撑体上制备串联型的固体氧化物燃料电池(SIS-SOFCs)。串联的单电池长度为10mm,有效长度为3mm。通过注浆成型法制备管状的支撑体,烧结后使用浸渍法沉积NiO-YSZ阳极和YSZ电解质薄层并且分别进行烧结。烧结完毕,通过涂抹法制备LSM-YSZ和LSM阴极层并且烧结。每个支撑体上有2个串联的单电池。使用加湿氢气作为燃料,空气作为氧化剂对电池进行性能测试。测试过程中,电池的最高总电压达到2.0537V,750℃时达到的最大功率密度为228.68mW/cm2。电化学阻抗谱显示该电池的欧姆电阻较大,而极化损失是影响电池性能的主要因素,因此,改善电池的结构和优化电极材料将进一步提高电池的性能。     

沉淀法合成阳极材料NiO及其SOFC性能研究

用硝酸盐-氨水沉淀法合成了NiO纳米粉体,X-射线粉末衍射结果表明样品为面心立方结构,颗粒的平均粒径为25 nm,以此纳米NiO为原料制备NiO-YSZ阳极。在NiO-YSZ阳极上用离心沉积方法制备了一层10μmYSZ薄膜,扫描电子显微镜测试结果表明阳极和电解质薄膜之间接触良好。采用La0.7Sr0.3MnO3-YSZ阴极,单电池在800℃时的最大比功率为0.72 W/cm2,测试结果还表明该阳极具有合适的孔隙率,说明采用硝酸盐-氨水沉淀法合成的NiO可以制备固体氧化物燃料电池的阳极。     

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%.     

沉淀法合成NiO及NiO-YSZ阳极性能

用硝酸盐-氨水沉淀法合成了NiO纳米粉体,X-射线粉末衍射结果表明样品为面心立方结构,颗粒的平均粒径为23nm。以此纳米NiO为原料,制备NiO-YSZ阳极,阳极的高温烧结收缩比YSZ电解质小6%。高温H2还原电阻测量表明该阳极在700℃时10min完成还原,电导率为570S/cm。在NiO-YSZ阳极上用离心沉积方法制备了一层厚12μmYSZ薄膜,扫描电子显微镜测试结果表明阳极和电解质薄膜之间的接触良好。采用Sm0.2Ce0.8O1.9浸渍的La0.7Sr0.3MnO3阴极,单电池在750℃时的最大比功率为0.52W/cm2,测试结果还表明该阳极具有合理的孔隙率:说明采用硝酸盐-氨水沉淀法合成的NiO可以应用于制备固体氧化物燃料电池的阳极。     

两种柱状800 mAh MH-Ni电池的研制

给出了标称容量为 80 0mAh的LAAA型和 3 / 5AA型MH Ni电池的制备工艺路线及电池性能的测试结果。采用在泡沫镍及穿孔镀镍钢带上涂活性物质浆料的工艺方法制备电池的正极板和负极板。在实验的基础上确定了合适的正负电极及隔膜尺寸。根据对加有不同电解液量电池的不同倍率放电容量、电池内阻及密封性能的测试结果 ,选取了单电池的最佳电解液量为 1.3 5 g。对所制备电池的充放电性能及内阻的测试结果表明 ,尽管两电池在电化学性能上有所差别 ,但都达到了电池 0 .2C放电容量 80 0mAh、 1C充放电循环寿命大于 3 0 0次的设计要求。其中 ,使用焊接有集流镍带正极板的电池制备工艺 ,可以降低电池的内阻并提高电池的倍率充放电性能     

阳极支撑固体氧化物燃料电池的制备及性能

利用离心法成膜工艺在多孔Ni-YSZ阳极基体上制备8%(摩尔分数)YSZ电解质层,在1400℃共烧结,得到致密的YSZ膜和多孔结构的阳极。用苷氨酸-硝酸盐燃烧法合成超细阳极与阴极材料。其中,NiO-YSZ复合粉体用于阳极,La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3(LSCF)和30%(质量分数)Ce0.9Gd0.1O1.95(GDC)复合材料用作阴极。以氢气为燃料,研究了500～800℃时Ni-YSZ阳极支撑体固体氧化物燃料电池(SOFC)单电池的性能。结果表明在500℃时电池开路电压(OCV)达1.10V,800℃时短路电流密度达1113mA/cm2,最大比功率为296mW/cm2。通过交流阻抗图谱分析,认为电解质欧姆电阻是影响电池性能的主要因素。     

燃料电池多能互补微网系统并网运行特性研究

搭建了一套燃料电池多能互补微网系统,并搭建了相关的能量管控平台,整套系统遵循“并网不上网”的原则。以燃料电池为主要支撑电源,锂电池补充,分六种情况,对多能互补微网系统进行了试验测试。通过断开负载以及限制源端的功率输出等方式,改变微网的运行状态,能量管控系统能够及时地按照管控逻辑自动调整运行,智能化地调控微网系统的运行,保证系统的能量平衡,为燃料电池多能互补微网系统的进一步深入研究奠定了基础。     

燃料电池现状与未来

简述了国外燃料电池发展状态,近年来取得的重要进展;尤其是在提高质子交换膜型燃料电池的性能、电池组与电池系统的比功率比能量方面的技术突破,这种电池作为电动汽车动力源和潜艇ＡＩＰ推进动力源应用前景和必须解决的主要技术、经济问题。熔融碳酸盐和固体氧化物燃料电池作为区域性分散电站的可能性和必须解决的技术问题。简述了国内在燃料电池研究中取得的主要成果和目前发展状态。简介了国内千瓦级碱性燃料电池和质子交换膜燃料电池主要性能,并对国内燃料电池发展提出了参考意见。     

燃料电池备用电源在通信基站的应用

对燃料电池备用电源进行了基站测试运行,包括在线式应用、离线式应用及长期稳定性测试,并依据氢气实际采购成本、氢气累计使用量、输出功率等,对燃料电池备用电源发电成本和发电效率进行了计算。测试结果表明：燃料电池备用电源可以基本满足通信基站应用要求,发电成本为6．96元／kWh,发电效率为43．1％。     

Switching and linear power stages evaluation for PEM fuel cell emulation

A fuel cell‐based power systems emulator designed to test devices and loads intended to interact with real prototypes is presented. The emulator uses a digital processing device and electrical power systems, evaluating the impact of using either switching or linear power stages in the emulator capabilities. A real fuel cell prototype is emulated using a parameterized physical fuel cell model, which is computed online by a digital device. Also, several power stages not previously used specifically for this application, with different efficiencies and performances, were developed and analysed. One of the power stages was based on a two‐inductor step‐down DC/DC converter for a switching power stage instead of the classical buck structure that is more prone to duty cycle saturation in transients at low output voltages. The other ones used high‐power operational amplifiers for a linear power stage and linear regulators for a scalable linear power stage. Finally, the emulation system and the power stages were evaluated and validated using experimental data of a real fuel cell prototype. Copyright © 2010 John Wiley & Sons, Ltd.     

直接甲醇燃料电池性能研究

以自制的PtRuMo/C和Pt/C分别为阳极、阴极催化剂制备了膜电极,考察了单电池在常压下的性能,分析了影响电池性能的因素。研究结果显示以氧气为氧化剂在常压、室温工作,50mA/cm~2时,稳定输出电压0.237V;以空气为氧化剂时,在常压、室温工作,输出电流密度40mA/cm~2时稳定的输出比功率为8mW/cm~2。适宜的操作条件:甲醇浓度为2.5mol/L,甲醇流量为1.04mol/L,氧气流量范围60￣100SCCM,空气流量范围为125￣200SCCM。电池性能的初步分析显示,催化层中存在较高的质子传递电阻,使得电池在大电流放电时性能下降较快,限制了比功率的提高。     

高功率薄型金属双极板PEM燃料电池堆研究

对高功率车用薄型金属双极板PEM燃料电池堆模块进行测试研究.电池堆模块可在空气压力110～300 kPa条件下工作,表现出良好的高、低压兼容特性.当空气压力300 kPa,电池堆温度70℃,工作电流350 A时,电池堆输出功率可达27.2 kW,其质量和体积比功率分别为777 W/kg和1 015 W/L.单电池电压方差求和计算结果显示,在工作电流50～120A的窗口区间内,单池电压具有相对最好的均匀一致性.在320A(约为1 A/cm2)放电电流下,使用纯氢/氧气的电池堆输出功率比使用氢/空气高出约10%.空气相对湿度影响测试结果,电池堆较低功率下,空气的相对湿度80%～100%为佳;而当高功率下,空气相对湿度80%为佳.另外,对4单体薄型金属双极板燃料电池短堆进行耐久性测试,累计超过2 900 h,平均单池电压衰减率约为10 mV/1000 h.     

熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)发电系统进展

燃料电池 ,尤其是熔融碳酸盐燃料电池是 2 1世纪最有希望的发电技术。在简要叙述了熔融碳酸盐燃料电池发电系统的发电原理后 ,从以下方面对系统的开发进行了论述 :单体元件 (电极和电解质 )性能的提高 ,燃料的处理 ,余热利用 ,电力调节和并网 ,电池参数 (工作压力、温度、反应气体的组成和利用率、燃料气体湿度 )的控制与优化。介绍了熔融碳酸盐燃料电池发电系统的国内外研究现状 ,给出了天然气外部重整型和内部重整型燃料电池的循环模型。指出熔融碳酸盐燃料电池系统开发面临的主要课题 :延长寿命、降低成本、系统小型化、改善电能质量等 ,给出一种多段熔融碳酸盐燃料电池系统模型     

DMFC用膜电极组件的结构及性能

使用加热喷涂技术代替传统室温喷涂法制备立体化层,将立体化层引入直接甲醇燃料电池(DMFC)用膜电极组件(MEA)的结构中,优化立体化层中的Nafion载量,以增大催化层和质子交换膜之间的结合力,减少缝隙,进而降低电池内阻和物料传质阻抗.交流阻抗谱(EIS)和极化曲线证明:立体化层Nafion离子聚合物的最佳载量为0.6 mg/cm2;立体化处理的MEA较传统MEA的功率密度峰值提高19.46％;加热立体化技术将电池性能在55 ℃下提高到151.2 mW/cm2,机理是在进一步降低电池欧姆阻抗的同时,增大了催化层的活性面积.     

Modeling and control of distributed generation systems including PEM fuel cell and gas turbine

This paper concentrates on the modeling and control of distributed generation systems including fuel cell and gas turbine. The fuel cell is connected to the power system through a dc/ac converter, which is equipped with both voltage- and power-control loops. The gas turbine is also assumed to be equipped with both voltage-control and generation (or frequency)-control loops. Moreover the gas turbine is modeled using the d–q frame of reference. The interfacing of the gas turbine with the power system is achieved by transforming its equations from the d–q frame of reference to power system frame of reference. A multivariable supplementary fuzzy logic controller is proposed for improving the dynamics of the combined fuel cell and gas turbine system. This fuzzy logic controller is designed using the Matlab Fuzzy Logic Toolbox A distribution test system including a load, a fuel cell and a gas turbine, connected to a power grid is simulated using Matlab/Simulink software package. The dynamics of the combined distributed generation plant are analyzed for the cases of with and without controller. The accuracy of the presented model and the effectiveness of the proposed multivariable supplementary fuzzy controller are deduced from the simulation results.     

Microstructural Features of RF-sputtered SOFC Anode and Electrolyte Materials

Thin-film samples of yttria-stabilized zirconia (YSZ), nickel oxide (NiO)-YSZ, and YSZ/nickel (Ni)-YSZ bilayer were fabricated by RF-sputtering. The single YSZ layer and YSZ/Ni-YSZ bilayer samples were annealed while the NiO-YSZ layer remained as-deposited. Cross-section transmission electron microscopy (TEM) samples of these thin-films were then prepared, which allowed detailed chemical and structural characterization of these thin-films on the nanometer-scale. Both YSZ and NiO-YSZ layers were fully dense and exhibiting equiaxed grain morphologies. Selected area electron diffraction (SAED) showed the YSZ crystal structure to be predominantly cubic in the annealed samples and amorphous in the as-deposited NiO-YSZ sample. It was found that YSZ film was 70 nm thick and dense, with equiaxed grains ranging from 12–20 nm. Surface roughness of the YSZ in the bilayer fell in the range of 5–20 nm. The Ni-YSZ film in the bilayer was 230 nm thick and porous, which consisted of columnar grains 13–75 nm in length and 9–22 nm in width. The bilayer sample showed no delamination or cracking along the YSZ/Ni-YSZ interface. It is believed that the nano-sized grains, minimal surface roughness and thin layers found in these films are desirable microstructural features for the anode and electrolyte in micro-solid oxide fuel cells (SOFCs). Correlation between microstructural features and electrochemical performance will be reported in a separate study.