固体氧化物燃料电池发电系统的模拟与优化研究

针对1MW固体氧化物燃料电池（SOFC）发电系统,建立了描述SOFC电池堆电化学过程和特性的模型,在此基础上建立了基于Aspen Plus软件平台的SOFC发电系统模型,并对其系统参数进行了分析和优化。研究为大型SOFC发电系统的设计奠定了基础。     

固体氧化物燃料电池阳极积碳的研究进展

从阳极材料改性和工作条件优化等方面综述抑制固体氧化物燃料电池(SOFC)阳极积碳的研究进展。在阳极材料改性方面,可以改性Ni基阳极材料或开发Cu基等抗积碳阳极,替代传统Ni基材料,解决积碳问题。在工作条件优化方面,抑制积碳的重要手段有:提高水碳比,适当增加燃料中H2、CO2含量,提高电池工作时的电流密度,合理选择工作温度。     

固体氧化物燃料电池阴极材料的研究进展

综述了固体氧化物燃料电池(SOFC)阴极材料的性能.在钙钛矿型阴极材料中,Mn基材料具有较好的高温工作特性;Co基材料具有较好的低温催化特性和电导特性,但化学和结构稳定性差;Fe基材料具有较好的化学和结构稳定性,但低温下的催化性能尚需改进.其他结构类型的复合氧化物阴极材料的研究也在进行.     

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。     

中低温固体氧化物燃料电池复相固体电解质的研究进展

介绍了复相固体电解质材料在中低温固体氧化物燃料电池(SOFC)的研究进展,重点评述了Y掺杂ZrO2 (YSZ)/绝缘体、掺杂CeO2/绝缘体、掺杂CeO2/无机盐及质子导体基复相电解质材料的结构设计、制备以及电导率和单体电池性能提升的机理.指出了纳米复相电解质材料在中低温SOFC应用的可能性、存在的问题及发展趋势.     

煤基固体氧化物燃料电池—燃气轮机混合发电系统性能分析

通过查阅国内外在致力于提高SOFC发电效率方面的研究文献,并根据课题组的前期研究成果,基于商业软件Aspen Plus平台,搭建了IGFC-GT混合发电系统的电热联产系统模型图,分析了IGFC-GT混合发电系统的性能及进气温度对系统性能的影响,结果表明该系统具有较高的发电效率及能量利用率。     

微管固体氧化物燃料电池的热应力分析

微管固体氧化物燃料电池(MT-SOFC)的寿命一直是制约其商业化进程的关键问题.希望利用多物理场耦合方式分析工作状态微管固体氧化物燃料电池在流体、热、力等作用下的应力分布,分析工作温度、温度梯度等因素对电池应力状态的影响.结果表明制造残余应力是电池失效的主要应力源,温度梯度造成这一残余应力进一步分化;工作温度升高有助于残余应力的降低,但电池的效率也会降低.该结果将为MT-SOFC寿命分析提供依据.     

整体煤气化固体氧化物燃料电池混合发电循环的性能分析

介绍了整体煤气化固体氧化物燃料电池混合发电循环(IG_SOFC/CC)的拓扑结构,基于商业软件Aspen Plus平台,建立了IG_SOFC/CC混合发电系统模型,分析了IG_SOFC/CC混合发电系统的性能,分析结果表明该系统具有较高的发电效率。     

固体氧化物燃料电池电解质材料的研究进展

介绍了固体氧化物燃料电池(SOFC)用萤石型、钙钛矿型及磷灰石型电解质材料的结构、导电机理、性能及研究进展。存在的离子电导率较低、化学组成及相组成不稳定等问题,主要通过氧化物共掺杂及不同材料之间的复合等方法来改善。材料的复合与电解质层结构的设计,将成为电解质研究的主要方向。     

高参数燃气轮机与超临界二氧化碳联合循环系统热力性能分析

构建高参数燃气轮机与超临界二氧化碳(S-CO₂)联合循环模型,并开展热力性能分析。顶循环采用燃烧室排气温度为1 800℃的高参数燃气轮机,底循环采用S-CO₂朗肯双透平循环,同时采用三级烟气加热和两级透平排气回热;通过惩罚函数法,得到优化后的联合循环工况下的参数和热力性能,分析了高参数燃气轮机顶循环和S-CO₂朗肯底循环主要参数对联合循环性能的影响规律。结果表明：在燃气轮机压比为35.5,燃烧室出口温度为1800℃时,联合循环热效率可达68.61%,燃气轮机与S-CO₂朗肯循环效率比燃气-蒸汽联合循环提高2.3百分点。     

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。     

阳极支撑平板状SOFC过电势模型及分析

平板型固体氧化物燃料电池由于具有高效率、低污染物排放等特点,是未来发电的主要方向。当电池运行产生电流时,就会伴随电荷传输产生活化极化,伴随质量传输产生浓差极化,根据材料导电性的不同相应产生一定大小的欧姆极化,从而降低了燃料电池的开路电压,并对电流密度和输出功率产生影响。为了能使燃料电池更好地运行,就必须要了解对过电势产生影响的各种因素,所以建立了阳极支撑的平板状SOFC过电势模型,分析了电流密度、温度以及一些结构参数对三种过电势的影响,对阳极支撑型和电解质支撑型燃料电池的性能进行了比较。     

Cycle analysis using exhaust heat of SOFC and turbine combined cycle by absorption chiller

The power generating efficiency of solid oxide fuel cell (SOFC) and gas turbine combined cycle is fairly high. However, the exhaust gas temperature of the combined cycle is still high, about 300^°C. Thus, it should be recovered for energy saving, for example, by absorption chiller. The energy demand for refrigeration cooling is recently increasing year by year in Japan. We propose here a cogeneration system by series connection of SOFC, gas turbine and LiBr absorption chiller to convert the exhaust heat to the cooling heat. As a result of cycle analysis of the combined system with 500‐kW‐class SOFC, the bottoming single‐effect absorption chiller can produce a refrigerating capacity of about 120 kW, and the double‐effect absorption chiller can produce a little higher refrigerating capacity of about 130 kW without any additional fuel. But the double‐effect absorption chiller became more expensive and complex than the single‐effect chiller. © 2009 Wiley Periodicals, Inc. Electr Eng Jpn, 167(1): 49– 55, 2009; Published online in Wiley InterScience ( www.interscience.wiley.com ). DOI 10.1002/eej.20578     

SOFC建模与控制策略的研究现状与发展

简单介绍了固体氧化物燃料电池(SOFC)的单体结构类型和工作原理;然后详细介绍SOFC的电极、单电池、电堆、系统四个层次的建模以及SOFC控制的研究现状,并指出现有模型的不足;接着讨论SOFC电池数学建模的发展方向;最后,针对SOFC系统的非线性、大时滞、多输入多输出和随机干扰等特征,提出了几种适宜的控制方案.     

Performance evaluation of SOFC systems using electrochemical partial oxidation of methane

We simulated the performance of systems using a solid oxide fuel cell (SOFC) stack which generates electricity by electrochemical partial oxidation of methane and a conventional steam‐reforming‐type SOFC (SRSOFC) stack. The net thermal efficiency in an atmospheric partial‐oxidation‐type SOFC (POSOFC)‐SRSOFC system was 8% higher than that in an atmospheric SRSOFC system at system outputs of 35 kW or more. The net thermal efficiency of a pressurized POSOFC‐SRSOFC‐gas turbine (GT) system was slightly higher than that of a pressurized SRSOFC‐GT system. © 2004 Wiley Periodicals, Inc. Electr Eng Jpn, 147(4): 11–19, 2004; Published online in Wiley InterScience ( www.interscience.wiley.com ). DOI 10.1002/eej.10314     

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。     

固体氧化物燃料电池的效率分析

固体氧化物燃料电池(SOFC)具有很高的理论能量转换效率,但是目前报道的实际SOFC单体性能远不能达到理论转换效率。从热力学理论及实验数据出发解释了SOFC单体性能远不能达到理论效率的原因,针对电压效率、电流效率和燃料利用率分别提出了相应的改进方法,为SOFC的进一步发展提供理论依据。其中温度对电压效率、电流效率和燃料利用率有重要的影响,提高温度可以提高这三者的值,但是提高温度将降低SOFC的热力学理论效率。     

等离子喷涂结合致密化工艺制备SOFC电解质层

为了利用大气等离子喷涂方法制备高温固体氧化物燃料电池(SOFC)电解质层,探讨了金属无机盐溶液对电解质层进行致密化处理以提高喷涂电解质层气密性的方法。通过对无机盐分解产物的热分析与X射线衍射分析确定了致密化处理温度,探讨了用一定浓度的无机盐溶液致密化电解质层时,致密化次数对其气体泄漏率的影响。实验结果表明,当致密化处理12次后,涂层气体泄漏率从喷涂态的1.1×10-6cm4·g-1·s-1降低到7.9×10-8cm4·g-1·s-1,能够满足作为SOFC电解质层的要求。测试结果表明由此试制的SOFC单电池的空载电压在高温时接近可逆电压。     

固体氧化物燃料电池监控系统的设计与实现

为了实时监控固体氧化物燃料电池(SOFC)的工作状态,设计并实现了一种基于VC的SOFC监控系统。该系统中可编程逻辑控制器(PLC)作为下位机进行数据采集,PC机作为上位机监控SOFC的运行情况,使用户实时直观地获取SOFC工作参数并且对系统下达控制指令。实验结果表明,该系统运行可靠性高,为进一步优化SOFC设计与分析提供了必要条件。     

基于SOFC的变压器油中溶解气体分析在线监测仪

介绍了固体氧化物燃料电池（SOFC）的工作原理,从四大守恒定律出发,建立了管式SOFC的数学模型,以H2 ,CO,CH4 ,C2 H2 ,C2 H4 ,C2 H6 这6种可燃气体为研究对象,给出了可燃气体的含量与SOFC输出电压峰面积的函数曲线图。结果表明函数曲线是单调的,在一定范围内呈现出近似于线性的特征。将SOFC结合现代色谱技术,成功研制出变压器油中溶解气体分析（DGA）在线监测仪。现场投运结果表明该技术可以满足电力变压器DGA在线监测与故障诊断的要求,具有线性度好、灵敏度高、方便、清洁和自动化程度高等优点。