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。     

高温固体氧化物燃料电池实验演示

介绍一种高效低污染的新型能源－高温固体氧化物燃料电池的工作原理及其演示实验装置。     

固体氧化物燃料电池

高效、洁净、全固态结构、高温运行的固体氧化物燃料电池(SOFC)是把反应物的化学能直接转化为电能的电化学装置，这种新型发电技术是目前发展最快的能源技术之一，有望在近年内走向商业化应用。SOFC单体电池由致密的电解质和多孔的阳极、阴极组成，现在主要发展了管状结构和平板式结构两种形式，单体电池通过致密的连接体材料以各种方式组装成电池组，广泛应用于大型发电厂、热电耦合设备、小型供能系统和交通工具等，市场前景广阔。     

中温固体氧化物燃料电池的基本性质测量

介绍了固体氧化物燃料电池的工作原理,测量了中温薄膜固体氧化物燃料电池的开路电压、放电曲线及功率曲线,并分析了电池内阻随电流密度的变化.     

固体氧化物直接碳燃料电池的模型计算

直接碳燃料电池(DCFC)是直接以碳或煤为燃料的燃料电池.本文以一种以固体氧化物为电解质的固定床直接碳燃料电池为对象,基于文献中的实验数据,建立了物理模型和数学方程,求解出电池在三个特定温度下的V-I曲线以及能量转换效率,并与文献中的实验结果进行对照,验证了对固定床直接碳燃料电池的反应过程的假设,分析了电池性能的影响因素,为直接碳燃料电池的应用打下了理论基础.     

平板式固体氧化物燃料电池多物理场耦合建模

固体氧化物燃料电池(Solid oxide fuel cell,SOFC)在高温下工作,影响电池性能和结构完整性的因素众多,如何能够综合考虑这些因素并准确地预测和优化电池结构与工作性能是亟待解决的问题。使用COMSOL软件建立了单个平板式固体氧化物燃料电池多场耦合有限元三维模型,考虑电化学反应、物质浓度、流体流动、传热和固体力学多物理因素共同作用下,探明了电池在工作阶段的气体摩尔分数、电流密度、温度和热应力的分布规律。结果表明,氢气和氧气的摩尔分数随着气体流动的方向逐渐降低;在电池空气入口处,电解质电流密度较大;电池温度分布不均匀并产生了较大的热应力。本文建立的SOFC多场耦合模型可为后续SOFC的研究提供分析方法和理论支持。     

固体氧化物燃料电池体系掺杂氧化锆的理论研究：从结构到导电性

固体氧化物燃料电池是一种将化学能(如H₂和O₂)转化为电能的清洁能源系统,它具有高效、低碳以及燃料适应性广的特点. 作为燃料电池的“心脏”,电解质决定了整个电池的性能,其中掺杂氧化锆是最为典型的燃料电池电解质材料. 氧化钇稳定氧化锆在高温下具有优良的离子电导率,广泛应用在固体燃料电池中. 电解质材料的组成和使用温度对电导率的影响在实验和理论上已得到了充分研究. 复合氧化物的原子结构的表征是阐明其导电行为的关键,本文综述了氧化钇稳定氧化锆电解质的结构和导电性研究的最新理论进展,比较了研究该材料所采用的不同的理论方法及其相应结果,并总结了各种方法的优缺点. 重点介绍了利用随机表面行走-神经网络方法取得的最新成果,这些成果和实验结果相吻合. 结果表明,采用机器学习进行原子模拟为理解固体电解质中遇到的复杂物质现象提供了一种经济、高效和准确的方法.     

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.     

21世纪的绿色能源--固体氧化物燃料电池(SOFC)

随着社会现代化程度的不断提高，全球对能源的需求也日趋增长．在人们物质生活水平得到不断提高的同时，环保意识也日益得到人们的重视．为使人们在提高生活水平的同时又能保护好环境，实现人与自然的和谐相处，就需要对传统的能量转换和废物再利用技术这两方面进行改革．其中，燃料     

结合静电喷雾技术与浸渍法制备的固体氧化物燃料电池阴极

使用浸渍法制备具有纳米催化粒子的固体氧化物燃料电池电极可以提高电池性能。结合静电喷雾技术以及浸渍法制备的Sm0.2Ce0.8O2-δ（SDC）La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ（LSCF）浸渍阴极。对于静电喷雾技术中沉积温度对于薄膜形貌的影响做了讨论。阻抗谱研究表明,以300℃下沉积制得的薄膜为骨架的阴极具有最小的极化阻抗,在650、700、750、800℃分别为0.484、0.077、0.034、0.022Ω.cm2。以这种电极为阴极并以稳定的氧化锆为电解质的单电池在750℃时最大功率密度为254mW/cm。     

空间电荷层效应对固体氧化物燃料电池三相界面附近氧空位传输的影响

纳米复合电极是提高中低温固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell,SOFC)性能的新型前沿技术,其内部三相界面(three phase boundary,TPB)处空间电荷层(space charge layer,SCL)效应凸显,显著影响氧空位传输能力,是其性能优异的重要原因之一.现有研究广泛采...     

钙钛矿型中温固体氧化物燃料电池阴极Ba0.5Sr0.5Al0.1Fe0.9O3-δ

研究一种新型不含钴的钙钛矿型中温固体氧化物燃料电池阴极Ba_0.5Sr_0.5Al_0.1Fe_0.9O_3-δ (BSAF)材料的晶体结构、电导率以及在对称电池中的电极极化性能. 研究发现,BSAF阴极在空气中低于450 oC表现出典型的具有正温度系数的半导体行为,最高电导率达到14 S/cm;在450-750 oC,却表现出负温度系数,且电导率在750 oC下降到6 S/cm. 电化学研究表明,在基于混合离子导体的对称电池中,BSAF阴极在650-700 oC表现出良好的电极极化性能.以3%H₂O/H₂为燃料和空气为氧化剂,单电池在700 oC的开路电压和最大功率输出分别达到420 mW/cm².     

平板式阳极支撑SOFC多场耦合数值模拟

建立了平板式固体氧化物燃料电池多场耦合数学模型,利用商业CFD软件FLUENT对包括阳极和阴极多孔介质、致密固体氧化物电解质、燃料流道、氧化剂流道、电流收集双极板、外壳的单电池三维整体计算区域进行了数值模拟,得到了流场、温度场、组分浓度场、电流密度场、Nernst电动势、活化过电势和欧姆过电势等重要物理量的详细分布,并分析了影响电池性能的主要因素。模拟结果与SOFC研制单位提供的实验数据基本符合。     

圆管层流入口段数值模拟的差分格式与出口边界条件研究

通过数值模拟,分析了Re≥1000时,圆管层流入口段流场计算中采用一阶差分与QUICK格式的差别,研究了出口界面位置及两种不同的出口边界条件的影响。结果表明,对管内层流入口段流场计算,采用QUICK格式较一阶差分格式能更细致地反映流动过程。Re≥1000时,出口界面位置对采用一阶差分格式的计算结果影响不明显;对采用QUICK格式的计算,两种出口边界条件的差别与出口界面位置有关。     

入口段协同式翅片强化单相对流换热数值模拟

对二维平行平板通道入口段内设置协同式折流翅片的层流换热和流动特性进行了数值模拟。研究了翅片倾角以及通道长高比L／H对换热和阻力特性的影响。研究的Re数范围为100-1000。在翅片倾角β=0°-21.8°范围内, 通道内平均Nu数随翅片倾角β的增大而单调增大,随通道长度增大而单调减小。如果从相同泵功下强化效果来评价, 则是小倾角翅片较优,并且随Re数增大强化效果减弱。另外,分析表明,场的协同确实与换热率密切相关。     

SOFC/MGT混合系统耦合特性研究

在SOFC/MGT混合分布式能源系统中,选择不同的系统参数将对SOFC乃至SOFC/MGT混合系统的输出特性、安全运行等造成很大的影响。本文建立了一个典型的SOFC/MGT混合系统计算模型,研究了透平入口温度及燃气轮机压比对混合系统性能的影响。结果表明,透平入口温度和压比增大时,系统的输出功率和效率都会下降,而透平入口...     

基于随机模拟算法的激光辐照固体材料的温升研究

热传导方程的复杂性给研究激光热损伤等问题带来了困难。随机模拟算法将热传输看成是随机的化学动力学过程,算法容易实现,适用于复杂系统随时间变化的模拟。以固体硅为例,利用该算法计算了高斯激光辐照硅表层的热传输过程,对比了传统计算方法,应用该算法探讨了吸收系数对热损伤的影响问题。计算结果表明,算法的模拟结果符合激光辐照固体材料的实际规律,可作为一种激光辐照固体热传输过程的研究方法。应用结果显示:激光辐照初期,材料的热损伤与波长有依赖关系,吸收系数较小的材料能减小对基底的热损伤概率;激光辐照后期,减小吸收系数对热损伤的影响不明显。     

环形等离子体中电子温度梯度不稳定性的粒子模拟

用粒子模拟方法求解描述环形等离子体中电子温度梯度静电模的回旋动力学方程.方程采用圆磁通面的轴对称环形几何系统，考虑了有限拉摩半径、电子渡越频率k_∥v _∥以及环形漂移(曲率和磁场梯度)运动w_D(v²_⊥,v ²_∥,θ)的效应.简述了粒子模拟的基本方法.采用了四阶变步长积分格式，使计算省时、简便.讨论了模的基本特征 , 并且给出了临界梯度对电子温度与离子温度之 关键词： 电子温度梯度不稳定性 粒子模拟 变步长积分格式 临界梯度     

直接甲醇燃料电池膜及阴极模拟

本文提出一个针对直接甲醇燃料电池膜及阴极的二维、多组分稳态数学模型．模型根据直接甲醇膜燃料电池膜及阴极运行工况特性,考虑质量、动量、组分守恒以及电池中的电化学过程而建立,并应用了计算流体动力学(CFD)技术．模拟结果表明传质对直接甲醇燃料电池的性能影响很大;本文还进行了直接甲醇燃料电池阴极水管理的初步探讨．     

质子交换膜燃料电池内传递现象的数值模拟

本文发展了一个质子交换膜燃料电池的三维数学模型,用于研究整个电池内的传递现象,模型全面考虑了流体 流动、热量传递、电化学动力学和多组分传递等物理化学过程。数值求解数学模型获得了电池内详细的温度、反应物浓度 和电流等的空间分布情况。为验证模型的正确性,将估算的电池性能与文献中的实验数据进行了比较。