Composite Electrodes in Solid Oxide Fuel Cells and Similar Solid State Devices

The most important requirements to electrodes for solid oxide fuel cells and similar devices are listed, and it is explained how the requirements usually lead to a composite electrode. Three examples of composite electrodes are described in some details, namely the ceria based hydrogen electrode, the Ni-YSZ cermet anode and the LSM-YSZ. Here YSZ means yttria stabilized zirconia, and LSM is lanthanum strontium manganate.     

Multi-Fuel Capability of Solid Oxide Fuel Cells

One of the most attractive features of solid oxide fuel cells is their flexibility for fuels so that internal reforming and/or simple external reforming may be possible. In this study, equilibria in various possible fuel gases are considered, and C–H–O diagrams are constructed. Power generation characteristics for these fuels are measured and compared with those for simulated reformed gas in equilibrium compositions. We have succeeded to demonstrate direct-alcohol SOFCs for e.g. methanol, ethanol, and propanol. Mixtures of CH₄ and CO₂ are used as simulated biogas, and iso-octane (C₈H₁₈) and n-dodecane (C₁₂H₂₆) are highlighted as simulated gasoline and kerosene, respectively. Influence of fuel impurities on power generation characteristics is also discussed.     

高压发电机内部故障仿真研究

建立了高压发电机(Powerformer)的定子绕组内部相间故障和接地故障分析的数学模型。该模型以直接相量法为依据，并且考虑了定子绕组对地电容的影响。为准确地仿真内部故障时地情形，计算了各个故障分支磁轴的正方向。模型建立了转子和定子的电流方程、电压方程和磁链方程，并且以一个75MVA/150kV的高压发电机为模型，详细仿真了单相接地故障、两相接地故障和相间短路故障的情况并且给出了故障波形。利用该模型可以对高压发电机的保护方案进行有效的验证或者作相应的改进。     

Ceria-Zirconia Composite Electrolyte for Solid Oxide Fuel Cells

Ceria-zirconia-ceria sandwich structured composite filmelectrolytes were designed in order to offer high ionic and low electronicconductivity electrolyte films. Calculation of oxygen potential profile inthe composite film electrolyte indicates that a very thin zirconia filmkills the electronic current of ceria without affecting the ionicconductivity. The composite films were successfully prepared by a co-fireprocess. The main problem was the fact that the ceria and zirconia greenfilms had different shrinkage behaviors. Successful co-firing was achievedby controlling the temperature program and amount of binder. De-laminationbetween yttria stabilized zirconia(YSZ) and gadolinia doped ceria(GDC)layers was overcome by the formation of a solid solution phase at theinterface of the two films. The resultant composite films, however, showedpoor electrical conductivity compared with theoretical values. The formationof a solid solution phase can have a negative effect on compositeelectrolytes. Also, the composite film is unsatisfactory in terms ofmechanical strength. This could be due to the lattice expansion in reducingatmospheres, thermal expansion coefficient mismatch, or the intrinsicweakness of the ceria texture.     

熔融碳酸盐燃料电池的电气建模

熔融碳酸盐燃料电池目前是高温燃料电池研究领域的一个难点,其严格的热启动过程和运行状态对电池性能和寿命的影响至关重要。针对这一问题,建立了基于机理的熔融碳酸盐燃料电池电气模型,详细给出了采用电化学方程的熔融碳酸盐燃料电池电气特性的模型结构、算法、训练、仿真和试验。实验结果证明其快速准确,为熔融碳酸盐燃料电池的系统控制提供了一个实际工程应用模型。     

两种分块化PEMFC模型的仿真比较分析

分块化方法是将单片质子交换膜燃料电池PEMFC(proton exchange membrane fuel cell)沿阳极和阴极流道划分成15个连续的子模块;然后将每个子模块视为1个独立的PEMFC集总模型,用第n个子模块的输出(即气体摩尔流量和压力)作为第n+1个子模块的输入;最终获得单片PEMFC内部的电流密度分布和膜中水含量分布。基于此建模方法,分别建立了稳态和动态的分块化PEMFC仿真模型。仿真结果对比表明,动态分块化PEMFC模型不仅能预测电流密度分布和膜中水含量分布,还能较为合理地描述PEMFC的动态特性。     

内重整高温固体氧化物燃料电池建模与仿真

建立了一维内重整的高温固体氧化物燃料电池的数学模型，对复杂的偏微分方程组的求解进行了适用于快速仿真的一般差分方程组求解的转换，并建立了模块化的固体氧化物燃料电池仿真模型。该模块在组分和能量守恒的基础上，考虑了电化学反应模型，能反映燃料电池的分布参数特性，并可满足动态仿真需求。利用该模型分析了某一工况下固体氧化物燃料电池的稳态性能，并进行了动态过程的仿真，结果证明该模型可以反映固体氧化物燃料电池的基本性能。     

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。     

多绕组电力变压器内部短路稳态分析:（一）建模与仿真

电力变压器线圈之间的耦合特性使其内部短路故障的外部特性具有复杂性.为了正确设计和整定变压器内部故障的继电保护方案,必须逐个地针对每种变压器内部短路故障分布情况找到外部故障特征.文中提出了一种分析电力变压器内部短路故障的电路模型和分析方法,并以一台双绕组变压器为例,对线圈内部对地短路、匝间短路、相间短路分别进行了仿真计算,给出了外特性随故障类型和故障位置变化的规律.     

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。     

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。     

GTI''s hydrogen programs: hydrogen production, storage, and applications

The use of hydrogen as an energy carrier could help address our concerns about energy security, global climate change,and air quality. Fuel cells are an important enabling technology for the Hydrogen Future and have the potential to revolutionize theway we power our nation, offering cleaner, more-efficient alternatives to the combustion of gasoline and other fossil fuels.For over 45 years, GTI has been active in hydrogen energy research, development and demonstration. The Institute has extensive experience and on-going work in all aspects of the hydrogen energy economy including production, delivery, infrastructure,use, safety and public policy. This paper discusses the recent GTI programs in hydrogen production, hydrogen storage, and proton exchange membrane fuel cells (PEMFC) and solid oxide fuel cells (SOFC).     

GTI''''s hydrogen programs: hydrogen production, storage, and applications

1 Hydrogen production and storageBeginningin 2000,Gas Technology Institute(GTI)made amajor commitment to combine its core competency in compressedgas systems and fuel processing·This resultedin a major collabora-tive program with the U·S·Department of …     

催化剂对内重整直接碳燃料电池性能的影响

采用炭黑在管式电池内部气化的产物作为直接碳燃料电池运行的燃料,考察了纯炭黑燃料电池;Ca(OH)2 600℃预处理,再负载Fe盐、K盐的炭黑燃料电池(预处理燃料电池;直接负载Ca(OH)2、Fe盐与K盐的炭黑燃料电池(未预处理燃料电池)的性能及其影响因素。研究发现,经过Ca(OH)2 600℃预处理,再负载Fe盐、K盐的碳基燃料电池的性能与前者相比有明显提升,在800、850、900℃下的最大功率密度分别为47.4、62.3、77.9 mW·cm-2;与未经过Ca(OH)2 600℃预处理的相比,电池在运行过程中催化剂未出现失活现象。     

燃料电池发电的电站应用

燃料电池作为一种高效稳定的分布式清洁能源,其发电技术在电站领域的应用备受关注,而国内燃料电池电站尚在起步阶段,因此对这一领域的研究和实践经验具有重要意义。基于韩国燃气轮机联合循环电站中燃料电池发电项目的实施,介绍了燃料电池的选型,并通过模拟运行确定了最佳余热回收方案。MCFC燃料电池额定发电效率为47%,余热回收后效率提高3.5%。这些经验将对国内未来燃料电池电站的建设起到参考和借鉴意义。     

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。     

熔融碳酸盐燃料电池烧结电极制备方法

该文探讨一种环保的、可连续生产的适合熔融碳酸盐燃料电池(molten carbonate fuel cell,MCFC)使用要求的烧结电极制备方法,以泡沫镍和冲孔镀镍钢带为支撑体,聚乙烯醇与羧甲基纤维素钠的混合溶液作为黏结剂,T255羰基镍粉为导电活性材料,运用拉浆法在不同的烧结温度下制备MCFC电极。在此基础上,采用煤油浸入法测量了制备电极的孔隙率,利用扫描电镜分析电极的微观形貌,通过热重分析仪测试镍浆的失重和热流变化,并对组装后MCFC中电极的电化学性能进行测试。测试结果表明,以镀镍钢带为支撑体的电极较泡沫镍电极具有更好的强度和电化学性能,在一定的烧结条件下,采用拉浆工艺能够制备满足MCFC要求的电极。     

电动车组车顶复合绝缘子内部间隙电场分析

车顶复合绝缘子芯棒和护套的界面存在气体或液体间隙时,间隙周围的电场会发生畸变。电动车组频繁的过电压会诱发局部放电,加剧内绝缘的蚀损老化。为了准确评估间隙存在对电场分布的影响,针对车顶绝缘子某次内绝缘击穿事故,基于ANSOFT MAXWELL建立了电动车组母线支持绝缘子的多参数三维有限元模型。分析了存在气体、液体间隙时绝缘子内部电场,同时研究了间隙的尺寸、位置对电场分布的影响。结果表明:绝缘子内部出现气体间隙时,电场强度最大可能提升至无气隙时的2.65倍,进而引发强烈的局部放电;液体间隙内部导电离子浓度较大,电导率达到10-5 S/m时,间隙外部承受的电场强度可能达到49.3 kV/cm;间隙越长或离高压端金具的距离越短,绝缘子内绝缘受到的破坏越重,距离小于5 mm时更为明显。