燃料电池物理及化学性能的有限时间热力学分析法

采用电化学,非平衡态热力学与有限时间热力学相结合的方法,研究了考虑化学反应与传热不可逆性时,燃料电池的有关物理及化学性能,得到了一些新的性能界限和测定电化学反应速率的关系式。为同类能量转换装置以及电化学的研究提供了一种新方法。     

固体氧化物燃料电池阳极微结构三维数值模拟

固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种清洁高效的发电设备,其电极微结构直接影响电池的电化学性能。本文通过X-ray技术获取了SOFC阳极微结构,将电荷和物质传导定义在体相材料,将电化学反应定义在三相边界线上,建立了SOFC阳极电化学–传质耦合的三维微观模型,对比了两个微结构在80?C条件下的极化特性。研究表明微结构对电极内部物理场分布有极大影响,越靠近电极电解质界面,活化极化和离子电势波动越强烈。电极孔隙相细小的喉附近存在较大传质阻力,形成明显浓度极化跳跃。活化极化和欧姆极化大小相当,各占据总损失的45%以上。本文模型可用于研究微结构改变引起的电池退化和电极的优化设计。     

SOFC/GT/ST三重复合动力系统特性研究

本文研究SOFC/GT/ST三重复合动力系统.首先基于Aspen Plus建立了SOFC/GT/ST的性能分析模型,分析了各主要参数对SOFC/GT/ST复合动力系统性能的影响规律.研究结果表明:复合动力系统尽量在高的压力,温度在900℃左右的条件下,有较高系统效率;较高的燃料利用率(Ut)有利于提高系统效率.本文研究...     

固体氧化物燃料电池分布参数模拟研究

固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能通过电化学反应的方式直接转换为电能和中高温热能的全固态发电装置,被认为是最接近商业化的先进清洁高效发电技术之一。为了考察SOFC在变负荷条件下的稳态和非稳态特性,在MATLAB模拟环境下,建立了板式SOFC的一维稳态和非稳态分布参数模型,该模型充分考虑了SOFC中传热传质、流体流动、化学与电化学反应等因素相互耦合的影响,模拟分析了SOFC在不同条件下的工作参数变化对系统性能的影响。     

固体氧化物燃料电池模式阳极内传输与电化学反应耦合机理

模式电极因其结构可控、电化学/化学反应活性位和物质传输路径明确等优势,被广泛应用于固体氧化物燃料电池新型电极研究.现有研究多采用模式电极研究新材料电化学特性、表界面催化反应机理等,尚未涉及几何结构对其内部传输与电化学反应耦合机理的影响,限制了模式电极的应用.本文建立了固体氧化物燃料电池阳极内电荷传输与电化学反应过程的格子玻尔兹曼模拟方法,明确了控制电极过程的关键无量纲参数及其对电极性能的影响规律,研究了模式阳极几何结构的影响机理.根据电极性能对无量纲参数的敏感程度,绘制了指导模式阳极设计与运行的相图,指出相图过渡区(电极性能随操作参数显著变化区域)为进行反应机理研究的最佳操作参数取值范围.同时,研究发现模式阳极电子导体内电子的快速迁移虽不限制阳极性能,其几何结构显著影响过渡区范围;离子导体内离子迁移为影响阳极性能的限速步骤,但其几何结构几乎不影响过渡区范围.本文的数值方法与机理研究结果可为固体氧化物燃料电池模式电极的设计提供重要理论依据.     

电解池电化学反应过程的运动衬度X射线成像

电化学反应过程中离子迁移、氧化还原反应的原位动态观测对研究电解池和电池充放电性能、离子迁移特性、缺陷产生和预防等具有重要意义.采用电解池模型研究电化学反应过程以方便实验参数调控,基于运动衬度X射线成像实验研究了其离子迁移和氧化还原反应过程.结果表明,同等条件下运动衬度X射线成像比传统的时间减影成像的衬噪比高一个量级以上.基于运动衬度X射线成像成功观测到起始阶段电化学反应特性,发现电化学反应在电解池内所有位置同时发生,而不是通常理解的电场力作用下离子迁移到阴极、得到电子被还原.电极投影位置运动衬度信号强于电解液其他位置,说明电极位置氧化还原反应更密集.在通电电压低到一个临界值、传统时间减影成像很难观测到离子迁移或原子团聚的时候,运动衬度成像仍可明确揭示离子迁移(原子团簇运动)轨迹.因此,运动衬度X射线成像可大幅提升电解质中离子(原子)迁移的观测灵敏度,在电池、电解池电化学反应特性的原位动态研究中具有重要应用前景.     

SOFC电化学性能的伸缩式投影Adams多尺度模拟

目前对SOFC的研究主要通过数值分析方法,由于传统宏观模型不能准确描述其内在机理,而细微尺度模拟则面临计算机内存开销巨大,CPU耗时过长的问题。因此本文提出一种用于模拟SOFC电化学性能的伸缩式投影Adams多尺度模拟方法,建立SOFC的系统模型,首次以多尺度的观点从介观尺度出发对SOFC电化学性能进行模拟。研究其各电化学性能参数之间的关系以及入口燃料/空气成分含量、SOFC工作温度、压力对电化学性能的影响,论证了该方法的有效性。     

基于多物理场模拟的低水甲烷燃料固体氧化物燃料电池的抗积碳阳极设计（英文）

本文采用与实验I-V曲线高度吻合的多物理场全耦合数值模型来模拟低水甲烷燃料SOFC的运行过程.基于抗积碳电流密度实验数据推导出的动力学积碳活性判据,利用多场耦合数值模型系统研究了电池工作参数和阳极扩散阻碍层厚度对阳极积碳倾向的影响.仿真模拟揭示了燃料利用率、电流密度、扩散阻碍层厚度和电池工作电压的相互关系.结果表明,在阳极添加400 um厚的扩散阻碍层是实现SOFC高功率密度和不积碳运行的最优设计.这种阳极结构设计对实现高效率低成本的SOFC技术具有重要意义.     

基于多物理场模拟的低水甲烷燃料固体氧化物燃料电池的抗积碳阳极设计

本文采用与实验I-V曲线高度吻合的多物理场全耦合数值模型来模拟低水甲烷燃料SOFC的运行过程. 基于抗积碳电流密度实验数据推导出的动力学积碳活性判据,利用多场耦合数值模型系统研究了电池工作参数和阳极扩散阻碍层厚度对阳极积碳倾向的影响. 仿真模拟揭示了燃料利用率、电流密度、扩散阻碍层厚度和电池工作电压的相互关系. 结果表明,在阳极添加400 um厚的扩散阻碍层是实现SOFC高功率密度和不积碳运行的最优设计. 这种阳极结构设计对实现高效率低成本的SOFC技术具有重要意义.     

以焦炉煤气为燃料的SOFC-CCHP系统热力性能分析

为了实现能量的高效利用,探索高效的热力循环已经成为国内外有关学者的研究热点,研究内容已从简单循环发展到复杂、复合及多功能循环系统。本文基于总能系统理论和能量梯级利用原则,通过ASPEN PLUS软件对SOFC-CCHP系统建模,并对该系统热力性能进行基本计算及理论分析,归纳并分析影响该系统的因素。分析得到该系统中SOFC的电效率在50%~60%之间,系统总发电效率在60%~70%之间,并且有一定量的冷量和热量输出,对SOFC-CCHP系统参数匹配及整体合理高效运行提供理论指导。