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的三维数值模拟

发展了一个用于固体氧化物燃料电池的三维数学模型,模型同时考虑了流体流动、热量传递、电荷传递、多组分传递和电化学动力学.研究的区域包括阳极和阴极的流道、扩散层和催化层,以及中间的电解质层在内的整个电池.采用统一的数学方程描述整个区域的传递现象,而用不同的源项和相应的物性参数反映不同性质的层.通过计算流体动力学(CFD)技术求解传递方程组,并耦合电化学动力学方程,获得了电池内的流动、温度、压力、反应物组分浓度等分布,并将模拟得到的极化性能与文献中的实验数据进行了比较,结果表明两者符合得较好.     

固体氧化物燃料电池

本文综述了高温氧化物燃料电池的种类、结构、发展现状及应用前景。介绍了固体电解质、阴电极、阳电极，内联接材料的组成及制造工艺。     

钙钛矿型固体氧化物燃料电池阴极材料

固体氧化物燃料电池(SOFC_s)作为一种高效、洁净的化学电源已经受到各国的重视。钙钛矿型复合氧化物由于其较高的混合导电性和较好的催化活性而被越来越广泛地应用于SOFCs的阴极材料中。对钙钛矿型中低温固体氧化物燃料电池阴极材料的最新研究进展进行了较为全面的综述,从阴极的设计要求出发,着重比较了A_(1-x)Sr_xCoO_3(A=La,Sm,Dy等稀土元素)系列、A_(1-x)Sr_xCo_(1-y)FeyO_(3-δ)、SrSc_xCo_(1-x)O_(3-δ)系列和双钙钛矿系列阴极材料的稳定性、电导率以及电催化活性,指出了其不足,并对其应用前景进行了展望。     

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。     

固体氧化物燃料电池复合阴极研究进展

介绍了复合阴极材料在中低温SOFC的研究进展,从化学动力学和三相界面理论阐述了复合阴极材料在降低阴极的极化电阻、界面电阻和极化过电位的机理,指明了复合阴极材料的重要作用和发展前景。     

固体氧化物燃料电池多孔支撑结构内传递现象研究综述

针对新型的集成板式固体氧化物燃料电池多孔阳极结构,总结了其中反应气的能量、组份和质量传递的新特点,包括燃料气输运通道和多孔支撑复合结构的多尺度效应、以及化学反应和物理扩散对控制方程的耦合影响等。在文献综述的基础上,围绕固体氧化物燃料电池内部反应气体传递过程,阐述需要进一步深入探讨的基础问题。     

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.     

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。     

固体氧化物燃料电池复合阴极研究

中低温(600~800 ℃)固体氧化物燃料电池是目前研究的主流。降低工作温度虽然能够解决材料选择、热应力、腐蚀等一系列问题,但是导致了阴极性能和阴极效率下降。复合阴极在某种程度上可以改善低温下阴极性能恶化的情况,降低过电位和极化电阻、界面电阻等。介绍了复合阴极的研究理论和研究方法,以及为解决这些问题所进行的阴极复合研究的现状,包括阴极材料与电解质、贵金属材料复合的研究现状,提出了今后的研究方向及应解决的问题。     

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。     

含有固体氧化物燃料电池的广义负荷建模

随着智能电网、微电网、分布式发电技术的发展,配网侧将接入大量的分布式电源。考虑分布式发电的广义负荷建模具有重大的理论研究与实际应用价值。基于Matlab/Simulink建立固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell,SOFC)及其并网系统的动态模型,研究其外特性,指出含有SOFC的配电网络的广义负荷模型结构,只需在传统的综合负荷模型(synthesis load model,SLM)的虚拟母线上增加一个有功随电压变化的有功功率源。辨识参数需要增加SOFC相对纯负荷的比例、功率调节器的比例与积分放大倍数3个参数。算例表明,所提出的模型结构的描述能力、内插外推能力及参数辨识的稳定性较好。     

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.     

固体氧化物燃料电池与质子交换膜燃料电池联合系统的建模与仿真

建立一种新型的发电系统结构——固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell,SOFC)与质子交换膜燃料电池(Proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)联合发电系统,在该联合系统中SOFC不但可产生电能,同时为PEMFC提供富氢的重整气产生额外电能,提高了燃料能量转换率,也节省了外置重整器的设备消耗。该文基于质量、能量平衡并耦合电化学知识建立了SOFC-PEMFC联合发电系统模型。详细讨论了系统参数(燃料利用率、空气与燃料流量比和燃料流量)对系统性能的影响。仿真结果表明,在本文设计工况下,SOFC-PEMFC联合发电系统的发电效率和系统能源综合利用效率分别为54％和723％,高于同一功率等级下的独立SOFC发电系统和重整器-PEMFC发电系统;另外,合理的空气与燃料流量比可以改善系统性能;SOFC燃料利用率为75％时,系统发电效率达到最大;燃料流量对系统发电效率基本没有影响。     

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。     

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。     

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。     

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。