固体氧化物燃料电池电解质材料的研究进展(英文)

固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cells,SOFCs)因具有能量转换率高,燃料适应性强,环境友好和操作方便等优点,受到了人们的普遍关注.发展中低温SOFCs是其商业化必然趋势.电解质材料是SOFCs的关键材料.对用于中低温SOFCs电解质材料的研究现状和进展进行了论述,并着重介绍了近年来受人们广泛关注的磷灰石型电解质材料.阐述了SOFCs电解质材料的研究趋势.     

固体氧化物燃料电池的关键材料概述

固体氧化物燃料电池(SOFCs)因具有能量转换率高、燃料适应性强、环境友好和操作方便等优点,受到了人们的普遍关注,但是SOFCs的广泛应用还有待于其关键材料的进一步发展。本文系统的介绍了固体氧化物燃料电池对关键材料——电解质材料、阳极材料、阴极材料的要求及其研究现状,并提出了固体氧化物燃料电池在其关键材料方面的一些有待解决的问题。     

质子交换膜燃料电池研究进展

由于质子交换膜燃料电池（PEMFC）具有能量转化效率高、寿命长、比功率和比能量高、以及对环境友好等优点,近年来得到迅速发展.笔者综述了PEMFC的特点,分析了PEMFC在国内外的最新研究进展,介绍了PEMFC的应用前景,并指出了PEMFC研究当前需要解决的技术问题及其发展趋势.     

固体氧化物燃料电池电解质材料的发展趋势

本文综述了近年来用于固体氧化物燃料电池(Solid oxide fuel cells,SOFCs)的面心立方萤石型、立方钙钛矿型和磷灰石型结构电解质材料在国内外的研究进展情况,并简要介绍了SOFCs电解质薄膜制备工艺的研究情况,最后对电解质材料中低温化的发展趋势进行了展望.     

双组分层不对称撞击流流场能量的研究

采用二维高速粒子图像测试技术(TR-PIV)和平面激光诱导荧光技术(PLIF)测量了双组分层不对称撞击流流场,利用POD分析方法提取流场含能大尺度结构,分解瞬时流场得出主要模态能量,考察了双层撞击流在不同射流Re、不同间距及不同直径比下不对称流场能量的变化规律。主要结论如下:同喷嘴直径下,不对称流场能量总是大于对称流场,在上下撞击驻点形成交叉时,流场整体能量较高,同时流场能量随喷嘴间距的增大而减小;不同喷嘴直径下,流场能量随直径比K增大而增大,直径比K1时,不对称流场能量也总是大于对称流场。综上所述,流场的这种不对称性有利于整体提高流场能量及流动特征。     

中温固体氧化物燃料电池电解质材料及其制备工艺的研究发展趋势

综合介绍了中温固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cells,SOFCs)的电解质材料以及薄膜的制备工艺.中温SOFCs的工作温度应低于800℃,甚至低于750℃,为600～800℃.固体氧化物电解质的晶体结构基本上属于下列两类:面心立方的萤石型和立方型钙钛矿晶体结构.稳定ZrO2是萤石型结构电解质的一个典型代表.8%(摩尔分数,下同)氧化钇稳定氧化锆(8%in mole Y2O3 stabilized ZrO2,8YSZ),其在1 000℃左右才有可观的离子电导率(0.1 S/cm).在800℃,氧化钪掺杂氧化锆(Zr0.9Sc0.1O1.95,scandia doped zirconia,SSZ)的电导率(0.1 S/cm)比Zr0.9Sc0.1O1.95(10YSZ)的(0.03S/cm)高得多.Sm掺杂的CeO2(samarium doped ceria,CSO)电解质有希望应用于中温SOFCs.Sr和Mg掺杂LaGaO3(LSGM)氧离子导体已成为中低温SOFCs重要候选电解质材料.改进氧化锆基电解质的电导性能的另一个途径是薄膜化.厚度小于10 μm的YSZ基SOFCs,在800℃,0.8V时的功率密度可达800mW/cm2.薄膜比厚膜能提供更好的化学均匀性和更易控制成分.SOFCs要求精细和尺度小时,通常选择薄膜;而低成本和大尺寸时,通常选择厚膜.成本较低的膜成型工艺有等离子喷涂、胶态成型工艺、流延成型、冷冻干燥成型、丝嘲印刷和真空泥浆浇注等.     

固体氧化物燃料电池多孔电极中气体传输模型的研究进展

围绕SOFCs多孔电极一维气体传输模型的研究进展进行综述。介绍了多孔电极气体传输的机制、一维气体传输模型的发展、SOFCs的相关建模研究。讨论了体系中气体组分间的通量比关系和尘气模型的几种计算方法,以及对SOFCs阳极浓差极化预测结果的影响。对多孔电极气体传输模型的发展前景进行了展望。     

CFD技术在焦炉煤气转化工序改进中的应用

采用计算流体力学(CFD)技术对转化炉燃烧空间的流场进行数值模拟分析;根据数值模拟计算结果,得出中煤灵石化工18·30项目转化工序的根本问题在于转化炉金属烧嘴出口流场与转化炉燃烧空间不匹配,而要解决这个问题,最为经济有效的方法就是改造烧嘴的处理方案;通过两次对烧嘴的改造,转化炉的运行工况不再成为制约公司化工系统达产的因素之一。     

直流电晕等离子体重整甲烷二氧化碳制取合成气的研究

为了探究线筒式直流电晕等离子重整CH_4和CO_2制合成气的效果,利用直流电晕放电装置对CH_4和CO_2进行了重整实验。考察了大气压下甲烷含量、放电电压和进气流量对反应物转化率、产物选择性和能量转化效率的影响。结果表明,随着进气中甲烷含量的增大,CH_4转化率下降,CO_2转化率上升,产物选择性和能量转化效率皆先上升后下降;随着电压的增大,原料转化率和选择性皆呈上升趋势,但都存在一个极限值,能量转化效率先上升后下降;随着进气流量的增大,原料转化率和产物选择性皆下降,能量转化效率先上升后下降。整体上,线筒式直流电晕等离子体重整甲烷和二氧化碳制取合成气具有设备简单、产物选择性高和能量转化效率高的优点。     

喷射-搅拌耦合式煤泥浮选装置研究

泡沫浮选是分选细粒矿物的有效方法。以浮选设备低能量损耗、高能量转化率为原则,结合喷射式浮选机与机械搅拌式浮选机的优点,与射流技术的有机耦合,设计了Ⅰ型、Ⅱ型2种新型浮选装置,介绍了2种装置的结构和工作原理,探讨了喷射吸气与搅拌吸气方式对气泡粒径分布、气泡矿化及流场均匀性的影响。Ⅰ型结合喷射吸气与搅拌吸气2种方式,能够实现浮选装置大吸气量、气泡粒径分布均匀、流场稳定。Ⅱ型喷射吸气搅拌型浮选机能在较低能耗、较低转速下得到较大吸气量,获得均匀的气液固三相流场。喷嘴的工况参数(入流压力、气液比等)、结构参数(喷嘴距、截面比等)是影响能量转化、浮选效果优劣的关键因素。本装置能同时对矿浆进行预处理和浮选。     

双组水平喷嘴撞击流反应器流场POD分析

利用二维高速粒子图像测速技术研究双组分层水平对置撞击流湍流场,考察了双组喷嘴在不同Re、不同直径及上下径向射流不同工况下的流动结构,对速度场进行POD分解,提取流场中含能大尺度结构。结果表明,低阶本征模态拥有大尺度涡旋结构,流场涡旋结构明显,瞬时流场能量主要集中在一阶模态,易于描述整个流场的流动特征,脉动场的模态重构可以准确还原流场中的涡结构。L=3d工况下,不对称流场能量高于对称流场;低阶模态能量随喷嘴Re的增大而增大,而随喷嘴直径增大呈先递增后递减的趋势,直径d=10 mm的工况下所对应的一阶模态能量最高,涡强最大。     

超临界水氧化技术在能量转化中的应用

介绍了超临界水氧化在能量转化领域的研究现状,阐述了超临界水氧化技术在高浓有机废水联产蒸汽、低浓有机废水能量耦合、有机固体废弃物能量回收以及稠油热采等4个方面的发展和应用,并展望了超临界水氧化技术在能量转化领域的发展趋势,认为应加强对能量转化机理的研究、过程能流分析以及换热介质材料,从能量品位的角度分析操作参数对火用损的影响,以及调整多种耦合方式对利用效率的影响,探究转化过程中火用损和焓损的深层次原因;通过对反应装置、换热介质材料的研究,避免热量损失以及转化过程中不必要的火用损,以此提升能量转化效率。     

直流电晕等离子体重整甲烷二氧化碳制取合成气的研究

为了探究线筒式直流电晕等离子重整CH_4和CO_2制合成气的效果,利用直流电晕放电装置对CH_4和CO_2进行了重整实验。考察了大气压下甲烷含量、放电电压和进气流量对反应物转化率、产物选择性和能量转化效率的影响。结果表明,随着进气中甲烷含量的增大,CH_4转化率下降,CO_2转化率上升,产物选择性和能量转化效率皆先上升后下降;随着电压的增大,原料转化率和选择性皆呈上升趋势,但都存在一个极限值,能量转化效率先上升后下降;随着进气流量的增大,原料转化率和产物选择性皆下降,能量转化效率先上升后下降。整体上,线筒式直流电晕等离子体重整甲烷和二氧化碳制取合成气具有设备简单、产物选择性高和能量转化效率高的优点。     

双组水平喷嘴撞击流反应器流场POD分析

利用二维高速粒子图像测速技术研究双组分层水平对置撞击流湍流场,考察了双组喷嘴在不同Re、不同直径及上下径向射流不同工况下的流动结构,对速度场进行POD分解,提取流场中含能大尺度结构。结果表明,低阶本征模态拥有大尺度涡旋结构,流场涡旋结构明显,瞬时流场能量主要集中在一阶模态,易于描述整个流场的流动特征,脉动场的模态重构可以准确还原流场中的涡结构。L=3d工况下,不对称流场能量高于对称流场;低阶模态能量随喷嘴Re的增大而增大,而随喷嘴直径增大呈先递增后递减的趋势,直径d=10 mm的工况下所对应的一阶模态能量最高,涡强最大。     

气固垂直并流上行两相流不均匀性机理的进一步研究

应用能量最小多尺度作用(EMMS)模型原理,分析垂直气固并流上行两相流局部不均匀性(稀、密两相结构)和整体不均匀性(轴向和径向分布)形成的机理,讨论了流场结构与稳定性的关系,定义了饱和夹带发生的临界条件,并介绍了一种流场均匀无壁效应的反应器.研究表明,密相流化和稀相气力输送具有不同的稳定性条件,因而呈现不同的流动结构,两者过渡时系统内出现饱和夹带,并发生显著的轴向不均匀分布——两态共存.不均匀性的产生,归因于能量最小.壁面的影响可促进能量最小化过程,因而导致径向不均匀分布.实验表明,通过截面的反复收缩和扩大可以实现均匀的流场.     

全钒液流电池电解液流场结构优化设计

全钒液流电池电解液流场结构合理可使电流密度、钒电解液分布均匀,降低极化,提高电池性能。设计3种不同的电解液流场,研究流场结构对电池极化、充放电电流电压、功率密度和能量效率的影响。结果表明蛇形流场结构简单且易于加工,可使钒电解液均匀分布,增强电解液对流传质能力,能较充分利用钒电解液储能容量,电池的输出功率密度最高可达31.6 mW/cm2,与传统平行流场相比,电池电流效率提高13.9%,电压效率提高6.3%,能量效率提高14.8%,放电容量提高了35.3%。     

蜂窝式催化剂与平板式催化剂的运行现状分析

本文通过综合对比分析蜂窝式催化剂与平板式催化剂在脱硝中的脱硝效果,包括脱硝效率、氨逃逸、SO_2/SO_3转化率与系统阻力等参数,发现平板式催化剂更适用于燃用高灰分燃煤机组,并且对氨逃逸控制更好。针对燃煤电厂的催化剂选型以及电厂可能存在的催化剂堵塞、流场不均等问题提出了可行性建议。     

水平对置撞击流的POD分析及混合特性

利用平面激光诱导荧光技术和二维高速粒子图像测速技术对浸没对置撞击流的湍流场进行了测量,利用本征正交分解方法对所测两喷嘴出口流体不同动量比(M)和不同喷嘴间距(L/d)下的流场进行分解,提取流场中含能大尺度结构. 结果表明,撞击流瞬时流场的能量基本集中在1阶模态,M=1工况下,1阶模态的能量占总湍动能的比例最高,约为50%,2阶模态约占总湍动能的2%~5%,3阶模态约占2%,与4阶模态差异甚微;在L/d=3时前4阶模态能量占比最大,约为38.6%;低阶本征模态中存在明显的相干结构,主要位于非稳定径向射流附近区域,且大尺度的流动结构与撞击流的液相混合行为直接相关,流场中相干结构尺度越大,能量越大,越有利于快速均匀混合.     

氢电能量转化用高性能无机非金属材料

随着国民经济的高速发展及能源消费的快速提升,能源匮乏和环境污染问题日益严重,人们越来越渴望使用环境友好而又可再生的能源。氢能是一种来源丰富、绿色低碳、应用广泛的二次能源,可作为电能、热能的有益补充,形成多元互补融合的现代能源供应体系。但中国氢能技术起步较晚,氢电能量转化中的电解水制氢和氢燃料电池部分关键材料长期依赖进口,亟需完成国产化替代。无机非金属材料具有高化学/电化学稳定性、高强度、耐高温等特性。本文综述了其在氢电能量转化器件中催化剂及载体、离子交换膜、扩散层、双极板等领域的研究进展及亮点,指出了氢电能量转化材料发展中存在的问题,并对未来研究方向做出了展望。     

射流泵湍流场的数值模拟与实验研究

采用k-ε湍流模型和非等间距加密网格,对射流泵流场进行了数值模拟和分析,并对相应的流场进行了实验研究.结果表明,流场轴向速度剖面在扩散管段具有较好的自相似性,而在喉管段则不然;这种速度剖面变化的转折点与喉管的长度有关;流场的湍动能分别在喷嘴出口与扩散管入口处产生峰值,并且前者远大于后者,可见射流泵流场中,湍流主要发生在喉管入口处,湍动能的不平衡将导致额外的能量损失.本研究结果对工程应用有指导意义.