固体氧化物燃料电池及其混合发电系统的现状及开发

固体氧化物燃料电池（SOFC）以其高能量转换效率、高比功率、无运动部件、堆积结构以及环境友好等特点日益受到重视。文章从燃料电池本体以及基于燃料电池的混合发电系统两方面对发达国家固体氧化物燃料电池的发展进行了调查,通过不同国家开发的电池以及混合发电系统的比较分析,对今后固体氧化物燃料电池的发展起到一定的指导作用。基于对燃料电池外形尺寸、进气道的尺寸和形状等电池结构进行了分析,得出不同结构下电池性能的变化,得到了最有利于燃料电池性能的设计参数。研究结果表明,低电流时,随着多孔电极进气道孔径的增加,电池输出电压也降低;而高电流时,电池输出电压先增大后减少,在孔径为5 mm时电池输出电压最大。     

H2-CO燃料气对SOFC性能影响研究

固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种能量转换装置,使用碳氢燃料,具有很大的发展潜力.为了探究H2-CO燃料气与电极温度、进出口组分、电流密度、功率密度和超电势之间的关系,以期对SOFC的设计和运行提供帮助,建立了三维模型,并通过实验验证了模型的有效性.随燃料流量的增加,电极温度、功率密度、阴极浓差超电势先增大后减小,进出口组分改变量、燃料利用率、阳极浓差超电势减小,电流密度、活化超电势和欧姆超电势增加.H2占比越大,电池性能越好.     

考虑电池利用率的燃料电池控制策略

电池利用率作为燃料电池系统控制器设计中的关键因素,它的取值决定了燃料电池是否能够安全、高效地运行。在充分考虑合理的电池利用率取值区间以及固体氧化物燃料电池(Solid Ox-ide Fuel Cell,SOFC)发电系统的动态模型之后,提出了针对燃料处理单元与直流变换器的控制策略,使得即使负载发生突变,也能保证电池利用率在限定的范围内,并表现出良好的负荷跟踪特性。基于SOFC并网的前级直流系统仿真,验证了文中控制方法的正确性与有效性。     

固体氧化物燃料电池分布式电源最大效率并网运行方式分析

提出了一种固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell,SOFC)分布式电源(distributed generator,DG)以最大效率并网发电的控制策略.通过引入反映内部复杂电化学、热力学和电气过程的稳态方程,建立了SOFC分布式电源交、直流两侧的联系.分析表明,SOFC分布式电源在采用恒功率因素运行方式时其功率调节单元的2个控制变量取决于电池堆的2个变量.然而,这种运行方式必须满足SOFC分布式电源的运行状态限制在被定义为合理运行空间(feasible operating space,FOS)的范围内.非线性规划方法用来计算SOFC分布式电源的最大效率和最优控制变量.仿真表明,SOFC分布式电源以最大效率发电时其直流侧氢气利用系数、过量氧气比例和电池堆温度这3个运行变量必须保持恒定.     

两种低热值生物质气发电方式的实验研究

通过实验数据对生物质气固体氧化物燃料电池(BIO-SOFC)和生物质气内燃机两种不同的低热值生物质气发电系统的特点进行了研究,结果表明以生物质气为固体氧化物燃料电池(SOFC)的燃料时,生物质气的成分变化对SOFC性能的影响较大,而燃料热值对其发电性能影响很小。对于生物质内燃发电机组,燃料的热值对系统性能有较大的影响。通过实验详细分析了生物质气中各气体成分对固体氧化物燃料电池性能的影响。综合实验数据的对比及两种发电系统各自的特点,分析了两种生物质气发电方式的在不同应用领域的前景。     

固体氧化物燃料电池（SOFC）发电系统示范工程（3）：日本三菱重工的SOFC系统

日本三菱重工于1984年开始开发固体氧化物燃料电池（SOFC）技术,于1986—1989年与东京电力株式会社合作研制管式SOFC电池堆,于1991年运行了1kW的SOFC电池堆,运行时间1000h。1993年,三菱重工研制新型1kW的SOFC电池堆成功,运行3000h。1996年,10kW常压SOFC连续运行5000h。1998年3月,三菱重工与电力开发株式会社合作,运行高压10kW级SOFC系统,SOFC阳极为NiO／YSZ,阴极为LaCoO3。设计参数为：（1）最大输出功率21kW;（2）效率35％;（3）燃料利用率75％。到1998年年中,运行4000h,功率输出稳定,千小时性能降低1％～2％。     

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。     

注浆成型法制备阳极支撑锥管状SOFC

采用简单经济的传统陶瓷制备工艺——注浆成型法制备锥管状阳极基底。将该基底在1000℃烧结4h后采用浆料喷涂法在其上制备致密的YSZ电解质膜,在1400℃下烧结4h。采用涂覆法制备锰酸锶镧(LSM)阴极,并组装成固体氧化物燃料电池(SOFC)单体。将该电池在氢气燃料(流量为100mL/min)和空气氧化剂的条件下测试。测得的最高电池开路电压为1.072V。850℃时最大比功率达到670mW/cm2,此时电池的总面积比电阻为1ΩW.cm2,欧姆面积比电阻仅为0.2ΩW.cm2。扫描电镜结果显示通过注浆成型法制备的阳极基底呈多孔状态,非常适合固体氧化物燃料电池对阳极的要求。     

燃料电池进展(下)

2.4 固体氧化物电解质燃料电池(SOFC) SOFC是类似于MCFC的高温燃料电池,但使用固体电解质。由于FOFC在1000℃左右工作,使它具有以下一些优点:(1)在那么高的温度下,所有燃料都会自动地进行内部重整并迅速地氧化成最终产物;(2)由于S工作在高温下,燃料中的杂质对其影响很小,比如燃气中若含50ppmH_2S,电池的电压只下降5％,且对电池本身没什么损害。即可以使用非经处理的燃气。(3)固体氧化物很稳定,在电池工作条件下不存在     

燃料预重整份额对SOFC-GT混合发电系统设计的影响

针对以天然气为燃料的固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell,SOFC)-燃气轮机(gas turbine,GT)混合发电系统,利用平衡态重整器模型、一维SOFC模型以及搭建于Ebsilon?中的燃气轮机系统模型,在不同燃料预重整份额和SOFC燃料利用率的设计工况下,开展混合发电系统的性能分析研究。结果表明,高SOFC燃料利用率并不会对应高的系统发电效率。混合发电系统效率最高点出现在热耦合策略对系统性能影响最小的设计工况下。燃料内重整可以提高混合系统的效率,但也要求SOFC运行在极端的设计工况下;燃料外重整则可以提高系统设计的灵活性,降低混合发电系统对SOFC的依赖。仿真分析显示,通过合理配置SOFC燃料利用率和燃料重整过程,有望在不依赖燃料内重整的情况下,提高混合发电系统的发电效率。