固體氧化物燃料電池的案例
不同流道布置的平板式固體氧化物燃料電池蠕變損傷研究
基于熱應力分析的固體氧化物燃料電池陽極功能層優化設計[J]. 無機材料學報，2017，32(4)：400-406. XIE Jiamiao，WANG Fenghui. Optimization design ofanode functional layer of solid oxide fuel cell based onthermal stress analysis[J]. Journal of Inorganic Materials，2017，32(4)：400-406.
[4] FAN P，LI G，ZENG Y，et al. Numerical study on thermalstresses of a planar solid oxide fuel cell[J]. InternationalJournal of Thermal Sciences，2014，77：1-10.
[5] 宋明，杜傳勝，王炳英，等. 梯度孔隙陽極固體氧化物燃料電池的熱應力[J]. 硅酸鹽學報，2022，50(5)：1-8. SONG Ming，DU Chuansheng，WANG Bingying，et al.Thermal stress of solid oxide fuel cell with gradientporosity anode[J]. Journal of the Chinese CeramicSociety，2022，50(5)：1-8.
[6] 宋明，王文慧，杜傳勝，等. 平板式固體氧化物燃料電池的熱機械行為[J]. 硅酸鹽學報，2021，49(3)：476-482.
展開 一種使用旁通閥的多堆固體氧化物燃料電池（SOFC）熱管理方法
固體氧化物燃料電池（SOFC）是可再生能源轉換裝置，由于其低排放、高效率和易于獲得等優點，成為具有巨大潛力的能源裝置選擇之一。大型SOFC固定式發電系統通常由多個電堆組裝而成，系統穩定性優越。SOFC 多堆系統通常由多個堆和平衡的組件組成，包括輸配電網絡 、熱交換器和廢氣處理裝置。由于流量、溫度和燃料之間的密切關系，電堆的結構可以顯著影響這些物理量的分布。因此，參數的任何不均勻性都會影響整個堆棧的均勻性。為了提高系統的一致性，有必要研究系統的流量和溫度分布以及進行有效的熱管理。
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成果掠影
近期，華中科技大學能源與動力工程學院涂正凱研究員團隊提出了一種使用旁通閥的多堆固體氧化物燃料電池（SOFC）系統均勻熱管理方法，來解決溫度分布不均的問題。流量網絡計算出的流量特性和電堆的電熱特性決定了旁通閥的開度（或空氣混合比）。結果表明，在 5 kW 多堆系統中，通過所提出的熱管理策略，可以將 60 K 的最大溫差降至 0 K。旁通閥的應用使系統能夠達到溫度一致性，整個SOFC系統的熱效率在設定溫度下最高可提高50%。相關研究成果以“Thermal management of bypass valves for temperature difference elimination in a 5 kW multi-stack solid oxide fuel cell system”為題發表于《Applied Thermal Engineering》。
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圖文導讀
圖1 集成多堆棧流配置的示意圖。
展開 ANSYS鋰電池及燃料電池研討會 | 上海
7月24日，ANSYS中國官方將在上海舉辦「ANSYS鋰電池及燃料電池研討會」，此次研討會特別邀請到了負責這個解決方案的ANSYS首席研發專家李少平博士和李革農博士，為大家分享ANSYS FLUENT在鋰離子電池、燃料電池以及通用電化學方向的仿真技術應用和前沿發展，主要涵蓋MSMD模塊、MSMD高級功能、鋰離子電池熱失控、質子交換膜燃料電池PEMFC、固體氧化物燃料電池SOFC、腐蝕、電鍍、通量電池及鋰離子電極建模等。
此外，ANSYS中國的流體高級工程師井文明將會就鋰離子電池仿真中的熱失控及LTI ROM進行現場演示，期待您的參與！
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ANSYS鋰電池及燃料電池研討會
2019年7月23日 (周二)
眾所周知，中國已將新能源汽車作為七大戰略性產業之一。近年來新能源汽車市場蓬勃發展，呈現爆發式的增長，動力電池技術作為其核心和瓶頸一直是研究的重中之重。中國車企以純電動和插電混合動力汽車為主，兼顧燃料電池汽車路線。因此，鋰離子電池和燃料電池在未來相當長時間將是動力電池主要發展方向。
ANSYS擁有目前市場上關于鋰電池和燃料電池最完善也是最被廣泛采用的解決方案。
時間地點
會議時間：7月23日（周二）
會議地點：上海浦東錦江湯臣酒店
報名方式：付費報名，500/人或輸入邀請碼報名參與
報名鏈接：http://t.cn/AipaRV75
技術鄰粉絲專享：客服手上目前有為數不多的幾個6折優惠碼，報名享優惠，先到先得！
展開 馬里蘭大學Nature：高度耐用，焦化和耐硫，燃料靈活的質子陶瓷燃料電池
【引言】
質子陶瓷燃料電池，像它們的高溫固體氧化物燃料電池對應物一樣，可以直接使用氫氣和碳氫化合物燃料以高于50％的效率發電。過去大部分的碳氧化合物燃料電池，主要關注于氧離子傳導電解質的固體氧化物燃料電池。但是，當這種燃料電池直接以含烴和/或含硫燃料運行時會發生碳沉積（焦化）和硫中毒，導致隨著時間的推移嚴重的電池的性能下降。盡管研究表明碳氫化合物燃料質子陶瓷燃料電池具有良好的性能和抗焦化能力，但還沒有關于長期耐久性的系統研究。
【成果簡介】
近日，美國馬里蘭大學的Chuancheng Duan和ryan O’Hayre（共同通訊）作者等人，研究了在500至600℃之間，11種不同燃料（氫氣，甲烷，家用天然氣（含和不含硫化氫），丙烷，正丁烷，異丁烷，異辛烷，甲醇，乙醇和氨）的質子陶瓷燃料電池的長期測試結果。經過6000多個小時的電池測試，幾種燃料中都表現出優異的性能和卓越的耐用性（在大多數情況下，每1000小時降解量低于1.5個百分點），而無需對電池組成或結構進行任何修正。電池可以容忍大幅度的溫度的波動，即使經過數千小時的運行，也沒有觀察到焦化現象。同時，對于低溫和高溫燃料電池而言，硫磺是一種臭名昭著的毒物，當與商用燃料一致供應時，不會影響質子陶瓷燃料電池的性能。質子陶瓷燃料電池器件展現的燃料靈活性和長期耐用性凸顯了該技術的前景以及其商業應用的潛力。相關成果以“Highly durable, coking and sulfur tolerant, fuel-flexible protonic ceramic fuel cells”為題發表在Nature上。
展開 
【技術】天洑數據建模實施案例集錦（2） - 燃料電池熱管理快速評估
背景和概述
燃料電池是一種直接將燃料的化學能轉化為電能的裝置。已被譽為是繼水力、火力、核電之后的第四代發電技術。這種電化學能可提供外部負載所需要的直流電能，并且燃料電池不排放任何氮氧化物和硫氧化物。具有發電效率高、燃料范圍廣、環境污染小、可靠性高等特點。
圖1 燃料電池基本結構包括陽極（燃料電極）、陰極（氧電極）和電解質
根據燃料電池中使用的電解質種類，可以將其分為堿性燃料電池、磷酸燃料電池、固體氧化物燃料電池等6種。其中固體氧化物燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell，SOFC）的工作溫度較高，在600℃-1000℃之間，高效的SOFC熱管理對于提高電池功率密度、維持系統安全穩定運行具有重要意義。
問題和難點
1. SOFC對工作溫度要求嚴格：電堆溫度過低時，電池片功率密度小、發電效率低下；電堆溫度過高、溫差過大以及溫度場分布不均時都會導致密封材料快速老化，電池片和連接體發生形變，甚至斷裂，從而導致電堆性能急劇下降；
2. 依賴于復雜的傳質傳熱過程、瞬態能量守恒等定律，雖然能準確預測溫度場形成和梯度分布等機理特性，但模型求解時間長，無法滿足在線計算時間限制的要求；
3. 基于模型的溫度控制系統需要依賴高精度的溫度分布模型。
解決方案：基于DTEmpower的燃料電池溫度分布建模
為了對SOFC在不同工作條件下的溫度分布進行建模，為快速評估SOFC的可靠性提供模型支撐，本案例基于DTEmpower數據建模平臺，采用數據驅動的方法建立溫度分布的數據模型，為SOFC的快速評估提供模型支撐。
展開 韓國燃料電池商業化取得重大進展 陶瓷燃料電池亮相
近日，韓國科學和信息通信技術部表示，Jong-Ho Lee博士和Ho-Il Ji博士在高溫能源材料研究中心開發了一種質子陶瓷燃料電池（PCFC），可在漢陽大學Dong Wook Shin教授的幫助下實現商業化。
固體氧化物燃料電池（SOFC）以其高能量轉換效率和使用各種燃料的能力而受到極大關注，并且PCFC尤其成為人們關注的焦點，與傳統SOFC相比，期望在更低的工作溫度下具有高性能。然而，在多孔電極上制造薄而致密的電解質的困難主要源于質子傳導電解質的耐火性質，這阻礙了PCFC的商業化。
KIST研究團隊與漢陽大學的研究團隊合作，提高了PCFC的性能，同時開發了一種以商業化規模生產細胞的方法。在開發過程中，團隊系統地對一個過程進行了方法化，使電解質－電極組件內的電解質熟悉，并降低了生產過程溫度，這是世界首創。
整個過程還采用了微波程序和絲網印刷方法，這些方法由于較高經濟效率，滿足了實際生產。
PCFC厚度為5μm，表面積為5x5cm2的電解質層組成，相較之前性能提高了12倍。由于性能是在實際應用條件下進行的，因此它為燃料電池商業化的可能性提供了明確的證據，得到了專家和行業的廣泛認可。
Jong－Ho Lee博士表示，“研究結果不僅可以應用于簡單的能源生產，還可以應用于燃料生產、保護以及其他各種相關領域和行業，有望成為改善未來可再生能源供應的基石。”
展開 阻礙中國燃料電池發展的“三座大山”
總理參觀豐田，就像信號一般，給燃料電池技術提振了士氣。各界紛紛加大對燃料電池技術的重視。
燃料電池，是一種古老的電池技術。如果仔細追溯，其歷史比鉛酸電池還要久遠。從分類上，燃料電池分成堿性燃料電池（AFC）、磷酸燃料電池（PAFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）、質子交換膜燃料電池（PEMFC）、直接甲醇燃料電池（DMFC）等等。在車上使用的主流技術，為質子交換膜燃料電池，以下簡稱PEMFC。
質子交換膜燃料電池模擬圖
與其說燃料電池是電池，不如說燃料電池更像一臺發電機。所以也有人說燃料電池是即水力發電、火力發電、核電之后的第四代發電系統。補充氫氣，即可續航，這和現在的燃油車加油的形式非常類似。因此，在形式上，相比鋰離子電池，燃料電池用于新能源汽車更加合適。
根據“第三代燃料電池技術”的要求，燃料電池電堆的功率密度要達到3.1kW/L，功率要求達到110kW以上，壽命達到5000小時……要在量產的前提下達到指標要求，難度相當大。有人說制約國內燃料電池技術發展的是關鍵材料，我同意，有人說制約國內燃料電池發展的是加工工藝，我也同意，但是，除此以外，讓我分享一下我心中燃料電池技術的三座大山吧。
第一座大山：氫偏見
氫氣，是一種易燃易爆的氣體，這是大部分人的認識。實際也是這樣，氫氣的爆炸極限是4%到74%，非常寬泛。除此之外，氫氣管道還有一個特別危險的現象：氫脆。氫脆可以認為是氫氣對鋼材的一種腐蝕，導致表面出現裂紋甚至斷裂。
這讓大家有點聞氫色變。
德國PO公司生產的高壓氫氣罐
但是，我想問大家一個問題：氧氣瓶是否安全？
以下一些關于氧氣可能造成的傷害：
氧氣是強氧化劑，增加氧的純度和壓力會使氧化反應顯著地加劇。物質的燃點也會隨著氧氣壓力的增加而降低。
展開 Ansys CFD電解制氫及燃料電池解決方案【8月21日直播】
在面對能源供應和低碳排放目標的雙重壓力下，氫能作為綠色新能源產業愈發受到重視，采用可再生能源電解水制氫并作為燃料供給燃料電池，成為氫能綠色應用的典型方式。</p><p>Ansys CFD產品提供專門的電解制氫和燃料電池仿真模塊，可對質子交換膜電解水、堿性電解水、質子交換膜燃料電池和固體氧化物燃料電池等多種氫能生產及利用過程進行仿真模擬，可根據用戶指定的設計輸入參數快速獲取高精度的三維多物理場結果，指導用戶分析產品的電化學性能、組份分布狀況并進行產品的熱管理、水管理等；同時結合Ansys ROM降階技術還可實現三維仿真結果降階為高精度數學模型，供系統級仿真模型使用。</p><p><strong>8月21日</strong>，Ansys 將推出<strong>「Ansys CFD電解制氫及燃料電池解決方案」</strong>主題網絡研討會。歡迎氫能、電解制氫、燃料電池工程師，和其他對氫能領域感興趣的仿真工程師積極報名參會。 </p><p><img src="https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/sJ5jnYn8Sice8bWRVajNb0MQXWvHxvRPRZ1CCpp6siaw456HckfuUbv0fibSQmm5Ub6MRCM81yroQLMrZIbrukXKA/640?
展開 燃料電池動力系統構型與關鍵部件
?從復合電源子系統來看,經過超級電容的“削峰填谷”作用,動力蓄電池不會出現大電流的充放電情況,可以提高動力蓄電池壽命?
在這種動力系統結構中,燃料電池?動力蓄電池和超級電容一起為驅動電機提供能量,驅動電機將電能轉化成機械能傳給傳動系統,從而驅動汽車前進?在汽車制動時,驅動電機變成發電機,動力蓄電池和超級電容將儲存回饋的能量?燃料電池+動力蓄電池+超級電容混合動力系統與“燃料電池+動力蓄電池”或“燃料電池+超級電容”混合動力系統相比較,具有明顯優勢,尤其是在部件效率?動態特性?制動能量回饋等方面更有優勢?構型特點如下:1)在采用燃料電池?動力蓄電池和超級電容聯合供能時,燃料電池的能量輸出更為平緩,隨時間變化波動較小?
2)能量需求變化的低頻部分由動力蓄電池承擔,能量需求變化的高頻部分由超級電容承擔?各動力源的分工更加明細,使得它們的優勢也得到了更好的發揮?
3)可以更加充分地回收制動能量?4)燃料電池+動力蓄電池+超級電容混合動力控制策略開發難度較大,尤其是在驅動時,由于能量流動自由度多,為了能夠充分發揮多能量源系統的輸出優勢并保證整車動力性與經濟性,對整車能量管理策略要求較高?
2 燃料電池動力系統關鍵部件介紹
本節將針對燃料電池動力系統中的關鍵部件(包括燃料電池?蓄電池?電機和DC/DC等)進行詳細介紹?
2.1 燃料電池
隨著人們對環保和能源問題的關注度日益提升,燃料電池技術得到快速的發展?燃料電池主要可分為以下5種:質子交換膜燃料電池(PEMFC)?堿性燃料電池(AFC)?磷酸型燃料電池(PAFC)?固體氧化物燃料電池(SOFC)以及熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)?
2.1.1 質子交換膜燃料電池
質子交換膜燃料電池(PEMFC)的結構組成如圖9所示?PEMFC由膜電極(MEA)和帶氣體流動通道的雙極板組成?其核心部件膜電極是采用一片聚合物電解質膜和位于其兩側的兩片電極熱壓而成
展開 中國研究人員提出新的質子傳導電解質設計原理 可用于中溫固態氧化物燃料電池
蓋世汽車訊 據外媒報道，上海交通大學密西根學院（UM-SJTU JI）陳倩櫟教授及其合作者提出一種新設計原理，將具有高質子電導率的鈣鈦礦材料，用作固態氧化物燃料電池的電解質材料。
（圖片來源：上海交通大學）
固態氧化物燃料電池是一種電化學裝置，將氫氣、天然氣等燃料，從化學能直接轉化為電能。同時，具有能量轉換效率高、清潔環保等優點。然而，目前，固態氧化物燃料電池的工作溫度普遍較高，約為700-1000°C，這對電池組件材料的耐高溫性提出了嚴格的要求。
使用質子導電陶瓷，作為燃料電池的電解質材料，有望將運行溫度降至450-700°C，大大降低生產成本。然而，其質子導電率需要進一步提高，以實現此類中等溫度燃料電池的商業化。研究人員認為，可以通過調整晶格振動頻率，實現理想的等動力學溫度，從而提高質子在低溫下的質子導電率。
質子擴散需要克服被稱做活化能的能量勢壘。總的來說，為了提高質子導電率，應該降低活化能。研究人員發現，質子導電率遵循凝聚態原子擴散動力學的Meyer-Neldel規則。當活化能降低時，電導率公式中的指前因子相應減小，從而阻止提高電導率。研究人員進一步發現，當改變材料結構以引起活化能變化時，不同活化能的電導率曲線在一個等動力溫度下相交，而質子電導率與活化能無關，只與材料的固有性質有關。研究人員從等動力溫度與材料結構的關系出發，提出通過調整材料結構來實現理想的等動力溫度，可以很好地提高低溫下的質子電導率。
研究人員表示：“作為中溫陶瓷電化學電池的質子傳導電解質，鈣鈦礦型金屬氧化物已經引起廣泛關注，例如Y摻雜BaMO 3（M = Zr/Ce）。
展開 東北大學：新型不銹鋼高溫抗氧化行為及機理
鐵素體不銹鋼因具有良好的成形性、優異的耐應力腐蝕和抗高溫氧化性能及低成本等優點，深受研究者和業界的青睞；且鐵素體不銹鋼具有合適的導熱系數及熱膨脹系數，適合應用于熱交換及熱循環的場合；這些優點使得鐵素體不銹鋼成為制備固體氧化物燃料電池(SOFC)連接體和汽車排氣歧管的最佳候選材料。
目前用于制造汽車排氣歧管的傳統鐵素體不銹鋼的工作溫度約為900oC，但為了適應環保要求、滿足日益嚴苛的汽車尾氣排放標準，并考慮汽油充分燃燒后的溫升，汽車排氣歧管的局部工作溫度將達到950–1050oC，甚至高達1100oC。為適應新一代汽車排氣系統熱端在如此高溫環境下使用，有必要在了解合金化機理進行合金設計的基礎上，進一步深入認識新型鐵素體不銹鋼的高溫服役及其退化行為。已有研究表明，通過添加合金元素W，鐵素體不銹鋼的熱機械疲勞性能可得到改善，但W對鐵素體不銹鋼高溫抗氧化性能的影響研究較少。
此外，添加稀土元素也有希望提高鐵素體不銹鋼材料的高溫抗氧化性能及耐熱腐蝕性能。但是，迄今為止，合金元素的合適添加量及其作用機理仍不明確，尤其是高熔點合金元素W和稀土Ce的協同作用對鐵素體不銹鋼高溫抗氧化性能的影響機理需要進一步探索。對多元合金化耐高溫鐵素體不銹鋼的高溫抗氧化行為及機理取得深入的認識，將對新型耐高溫鐵素體不銹鋼的設計和應用起重要關鍵作用。
該研究結果于2018年7月17日以“High temperature oxidation behavior of ferritic stainless steel containing W and Ce”為題，在線發表在國際著名期刊“Corrosion Science”上(5年影響因子為5.238)。該文的第一作者為博士研究生魏亮亮，陳禮清教授為該文通訊作者。
展開 
ANSYS新能源汽車動力電池仿真應用案例
燃料電池是一種非燃燒過程的電化學能轉換裝置，將氫氣（等燃料）和氧氣的化學能連續不斷地轉換為電能，是發電設備而非儲能設備。
根據電解質的不同，分為堿性燃料電池AFC、磷酸燃料電池PAFC、熔融碳酸鹽燃料電池MCFC、固體氧化物燃料電池SOFC、質子交換膜電池PEMFC。
ANSYS燃燒及化學反應研討會 | 上海
李少平博士還為Fluent質子交換膜燃料電池(PEMFC)和固體氧化物燃料電池(SOFC)模塊的開發做出杰出貢獻。
李革農博士
首席軟件開發
ANSYS Inc., | 美國
李革農博士于1993年畢業于西安交通大學能源與動力工程學院，隨后在匹茲堡大學獲得碩士學位，并在賓夕法尼亞州立大學獲得博士學位。主要研究領域側重在CFD領域，尤其是燃燒和輻射。
李革農博士在2001年10月加入Ansys Inc (此前為Fluent Inc)，并在化工行業擔任技術顧問，在不同行業完成多個咨詢顧問項目，并開發了許多數值模型幫助解決行業難題，與此同時，他還擔任燃燒、輻射和UDF定制的內部專家。2012年，李博士加入FLUENT開發團隊，至此，一直在FLUENT反應流團隊工作。李博士擅長化學和電化學反應流體模型，是ANSYS FLUENT MSMD電池插件模塊和內置通用電化學模型的主要開發人員，此外，李博士還是DOE項目電動汽車電池計算機輔助工程(CAEBAT)的ANSYS PI。
日程安排
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展開 量子材料跨界拓展固態離子導體
如果能夠找到其他合適的方法，突破相結構限制，向固體材料中注入大量可移動的離子，有可能對固態離子導體領域帶來新突破。
鈣鈦礦型稀土金屬鎳酸鹽是一類具有電子強關聯性的（electron-electron correlation）量子材料（quantum material），此前，其表現出的溫度及壓力誘發的金屬-絕緣體相變特性一直是該類材料的研究重點。近年來，有研究發現，簡單電子給體（如質子）的摻雜，能夠更為有效地調變該類型材料的能帶結構，從而人工誘發材料載流子濃度的指數級變化及更為明顯的金屬-絕緣體相變。近兩年來，該現象已被巧妙的應用于固體氧化物燃料電池（Nature,2016, 534, 231），神經形態模擬 （Nature Communication 2017, 8,240）及海洋生物器官模擬（Nature 2018，553,68）等前沿交叉科學領域。
最近，由普渡大學（Purdue University）Shriram Ramanathan 教授課題組聯合羅格斯大學（Rutgers University）Karin Rabe 院士課題組、阿貢國家實驗室 (Argonne National Laboratory)、麻省理工學院(Massachusetts Institute of Technology)等研究團隊發現，在電場下，鋰離子能大量注入SmNiO3(SNO)鎳酸鹽鈣鈦礦材料的晶格中（理論值可達每一個鈣鈦礦單胞一個鋰離子），并能在晶格中自由移動。且鋰離子表現出類質子的多級調控強關聯材料能帶結構的特性。該研究成果近日發表于美國國家科學院院刊（PNAS）雜志：DOI:10.1073/pnas.1805029115。文章第一作者為Ramanathan教授課題組博士后： 孫毅飛博士（Dr. Yi fei Sun）及Rabe院士課題組博士后：Dr.
展開 我國氫燃料電池要攻關哪些核心材料和技術？
圖 1 氫燃料電池技術體系
01 | 膜電極組件
膜電極（MEA）是氫燃料電池系統的核心組件，通常由陰極擴散層、陰極催化劑層、電解質膜、陽極催化劑層和陽極氣擴散層組成，直接決定了氫燃料電池的功率密度、耐久性和使用壽命。
根據 MEA 內電解質的不同，常用的氫燃料電池分為堿性燃料電池（AFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）、磷酸燃料電池（PAFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）、質子交換膜燃料電池（PEMFC）等。
各類型燃料電池具有相應的燃料種類、質量比功率和面積比功率性能，其中質子交換膜燃料電池以啟動時間短（~1 min）、操作溫度低（<100 ℃）、結構緊湊、功率密度高等成為研究熱點和氫燃料電池汽車邁入商業化進程的首選。MEA 裝配工藝有熱壓法（PTFE法）、梯度法、CCM（catalyst coated-membrane）和有序化方法等。熱壓法是第一代技術；目前廣泛使用的是第二代的CCM方法，包括轉印、噴涂、電化學沉積、干粉噴射等，具有高鉑利用率和耐久性的優點；有序化方法可使 MEA 具有最大反應活性面積及孔隙連通性，以此實現更高的催化劑利用率，是新一代MEA 制備技術的前沿方向。
1.1
質子交換膜（PEM）
全氟磺酸膜是常用的商業化 PEM，屬于固體聚合物電解質；
利用碳氟主鏈的疏水性和側鏈磺酸端基的親水性，實現PEM在潤濕狀態下的微相分離，具有質子傳導率高、耐強酸強堿等優異特性。
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