不同燃料SOFC的理论电池电动势及其性能
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不同燃料SOFC的理论电池电动势及其性能熊洁;焦成冉;韩敏芳【期刊名称】《化工学报》【年(卷),期】2013(64)7【摘要】以NH3以及3% H2O增湿的H2、CH4、C3H8和煤炭地下气化(underground coal gasification,UCG)气为燃料,用最小Gibbs自由能法计算平衡气体组分和理论电池电动势,并测试在NiO-GDC ‖GDC ‖Ba0.9Co0.7Fe0.2Nb0.1O3-δ (B0.9CFN)阳极支撑固体氧化物燃料电池(SOFC)中的电池开路电压、电池性能和长期稳定性.结果表明,以上述气体作燃料的SOFC热力学计算理论电动势均高于1.05 V,而由于GDC电解质在还原气氛下存在电子电导,导致碳氢燃料在NiO-GDC‖GDC‖B0.9 CFN阳极支撑电池中的开路电压略小.中低温下,碳氢燃料相对缓慢的动力学过程和GDC电解质快速的氧离子传输速率,使得以UCG气、CH4和C3H8为燃料的电池实际积炭比理论预测少.以UCG 气为燃料的SOFC在500、550、600和650℃的最高功率密度分别高达0.151、0.299、0.537和0.729W· cm-2,在0.6V恒压放电120 h后性能没有明显衰减,且阳极表面无积炭产生,表明直接UCG气SOFC具有广阔的应用前景.%The equilibrium species and theoretical electromotive force of cells fed with NH3 and 3% H2O humidified H2,CH4,C3H8 and underground coal gasification (UCG) gas on the basis of minimum Gibbs free energy were calculated,whilst the open circuit voltage (OCV),V-I characteristics and long-term stability of NiO-GDC ‖ GDC ‖ Ba0.9 Co0.7 Fe0.2 Nb0.1O3 δ (B0.9 CFN) anode-supported cells operated in above five fuels wereevaluated.The results showed that direct utilization of hydrocarbon fuels in anode could achieve a desirable electromotive force (EMF) no less than 1.05 V,while the OCV for ceria-based cells was comparatively poorer due to the presence of electronic conductivity.Besides,the synergy effect between stagnant kinetics of hydrocarbons reforming and the relatively sufficientO2-supply due to fast migration of oxide ions suppressed carbon deposition at low operating temperatures for ceria-basedSOFC.Furthermore,the UCG gas fed cell exhibited peak power densities as high as 0.151,0.2 9 9,0.5 3 7 and 0.729 W · cm-2,respectively at 500,550,600 and 650℃,and showed no evident performance decay and carbon deposition on anode after discharging at 600℃ under a constant voltageof 0.6 V for 120 h,thereby demonstrating UCG gas is a promising fuel for direct utilization in SOFC.【总页数】8页(P2664-2671)【作者】熊洁;焦成冉;韩敏芳【作者单位】枣庄学院化学化工与材料科学学院,山东枣庄277160;枣庄学院机电工程学院,山东枣庄277160;中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院,煤气化燃料电池研究中心,北京100083【正文语种】中文【中图分类】O646;TM911.4【相关文献】1.不同燃料的SOFC分布参数模拟研究 [J], 宋彪; 唐诗; 陈新元2.以生物质为燃料的SOFC和发动机热电联供系统:参数分析和性能优化 [J], 朱鹏飞;郭磊磊;尧兢;杨福胜;张早校;吴震3.两种不同燃料下SOFC的三维多物理场数值模拟 [J], 陈宇瑶;魏明锐4.地下气化煤气为燃料的氧化铈基SOFC性能研究 [J], 熊洁;焦成冉;韩敏芳5.H_(2)-CO燃料气对SOFC性能影响研究 [J], 魏炜;张宇;董超;刘凤霞;刘志军因版权原因,仅展示原文概要,查看原文内容请购买。
实验三、固体氧化物燃料电池(SOFC)的输出特性
一、实验目的
1.了解SOFC的工作原理与结构;
2.了解SOFC的输出外特性变化的基本规律;
3.了解SOFC与PEMFC的异同。
二、实验仪器
1.SOFC测试系统一套
2.氢气、氩气、氮气、氧气各一瓶
3.管状SOFC单电池一个
三、实验任务
1.SOFC燃料电池输出外特性测试
(1)首先将电池置于SOFC测试系统的管式炉内,然后将氢气通入电池阳极
侧,将氧气通入电池阴极侧,调整流量分别为0.5 SLPM,然后,开启管式炉电压,按照3 o C/min的加热速率升温;
(2)测试氢气流量和氧气流量分别为0.5 SLPM时,工作温度为800 o C、900 o C
和1000 o C的输出特性。
分别测试电池的开路电压,然后由大到小调整负载电阻,测试SOFC单电池的电压随输出电流密度的变化曲线,最后,将电池组正负极短路,测得电池组的短路电流,完成外特性特性;
四、实验报告
1.整理实验数据,绘制SOFC单电池的外特性;
2.分析SOFC单电池输出外特性变化的基本规律,并根据SOFC的输出外特性曲线,分析不同输出电流密度范围对应的极化特性;
3.分析工作温度对SOFC单电池空载电压和最大输出功率密度的影响;
4.结合PEMFC的实验结果,分析SOFC单电池与PEMFC单电池的功率输出时极化特性的异同。
国内外碳基固体氧化物燃料电池主要技术指标对比1. 引言1.1 概述碳基固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell,简称SOFC)作为一种高效、清洁能源转换技术,已经引起了国内外广泛的研究和应用关注。
这种燃料电池通过直接将化学能转化为电能,而无需通过燃烧过程产生废气或二氧化碳排放。
由于其高效率、低排放和多样化可用燃料的特点,SOFC被认为是未来能源领域的重要发展方向之一。
随着全球对清洁能源需求不断增长,各国纷纷投入大量资源进行SOFC技术的研究与开发,取得了许多重要成果。
在国内外的科学家和工程师们不懈努力下,SOFC的核心技术指标也得到了极大改善。
1.2 文章结构本文将首先从国内问题入手,通过对国内外碳基固体氧化物燃料电池主要技术指标的详细对比分析,探讨当前我国碳基固体氧化物燃料电池在效率、稳定性和使用寿命等方面存在的差距与不足。
随后,将对国外的相关研究进行梳理和总结,分析其在技术领域方面取得的进展、优势及存在的问题。
最后,通过对国内外技术指标对比的结果进行综合评价与讨论,并展望碳基固体氧化物燃料电池技术发展的趋势。
1.3 目的本文旨在通过对国内外碳基固体氧化物燃料电池主要技术指标的对比分析,全面了解当前这一领域在我国与其他国家之间存在的差距和不足。
同时,通过总结国外科学家和工程师们的研究成果和经验,为我国同行提供参考和借鉴,并对碳基固体氧化物燃料电池未来的发展方向进行探讨。
2. 国内碳基固体氧化物燃料电池技术指标对比2.1 效率对比在国内碳基固体氧化物燃料电池(SOFC)领域,各种技术的效率存在着差异。
其中一种最常见的指标是电池的开路电压(OCV),它反映了在无负载情况下SOFC的输出性能。
然而,开路电压并不能完全代表整个系统的效率,因此我们还需要考虑到SOFC在实际工作过程中的燃料利用效率和能量转换效率。
这些参数可以通过比较不同国内SOFC设备的实际测试数据来进行评估。
2.2 稳定性对比稳定性是评估碳基固体氧化物燃料电池技术指标的重要参数之一。
固体电解质型燃料电池(SOFC)介绍作为SOFC开发的基础科学离子学,其开发历史很长,日、美、德等国已有30多年的开发史。
日本工业技术院电子技术综合研究所从1974年起就开始研究SOFC,1984年进行了500瓦发电试验(最大输出功率为1.2千瓦)。
美国西屋公司从1960年起开始开发SOFC,1987年该公司与日本东京煤气、大阪煤气共同开发出3千瓦热自立型电池模块,在国内外掀起了开发SOFC的高潮。
日本新阳光计划中,以产业技术综合开发机构(NEDO),为首,从1989年起开始开发基础制造技术,对数百千瓦级发电机组进行测试。
1992年起,富士电机综合研究所和三洋电机在共同研究开发数千瓦级平板型模块基础上,还组织了7个研究机构积极开发高性能、长寿命的SOFC材料及其基础技术。
除此之外,三菱重工神户造船所与中部电力合作,共同开发平板型SOFC,1996年创造了5千瓦级模块成功运行的先例。
同时,在圆筒横缟型电池领域中,1995年三菱重工长崎造船所在电源开发共同研究中,采用圆筒横缟型电池,开发出10千瓦级模块,成功地进行了500小时试运行,之后又于1996年开发了2.5千瓦模块,并试运行1000小时。
TOTO与九州电力共同开发全湿式圆筒纵缟型电池,1996年起,开始开发1千瓦级模块。
同时,在日本以大学与国立研究所为首的许多研究机构在积极开发SOFC。
美国西屋公司在能源部的支持下,开始开发圆筒纵缟型电池。
东京煤气和大阪煤气对25千瓦级发电及余热供暖系统进行的共同测试表明,截至1997年3月,已成功运行了约1.3万小时,其间已经过11次启动与停机,千小时单位电池的劣化率小于0.1%,可见其技术已非常成熟。
西屋公司除计划在1998年与荷兰、丹麦共同进行100千瓦级模块运行外,为降低制造成本,还在研究开发湿式电池制造技术。
美国Allied-signal、SOFCo、Z-tek等公司在开发平板型SOFC 上取得进展,目前正对1千瓦级模块进行试运行。