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Numerical multi-physical optimization of operating condition and current collecting setup for large-area solid oxide fuel cells

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Frontiers in Energy 2024年第3期18卷 356-368页

作者： Chengrong YU Zehua PAN Hongying ZHANG Bin CHEN wanbing guan Bin MIAO Siew Hwa CHAN Zheng ZHONG Yexin ZHOU School of Science Harbin Institute of TechnologyShenzhen 518055China guangdong Provincial Key Laboratory of Deep Earth Sciences and Geothermal Energy Exploitation and Utilization Institute of Deep Earth Sciences and Green EnergyShenzhen UniversityShenzhen 518060China Key Laboratory of Advanced Fuel Cells and Electrolyzers Technology of Zhejiang Province Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering of the Chinese Academy of SciencesNingbo 315201China Energy Research Institute at NTU(ERIAN) Nanyang Technological UniversitySingapore 639798Singapore

Due to the depletion of traditional fossil fuels and the aggravation of related environmental problems,hydrogen energy is gaining more attention all over the *** oxide fuel cell(SOFC)is a promising power generation technology operating on hydrogen with a high *** further boost the power output of a single cell and thus a single stack,increasing the cell area is an effective ***,it was recently found that further increasing the effective area of an SOFC single cell with a flat-tubular structure and symmetric double-sided cathodes would result in a lower areal *** this work,a multi-physical model is built to study the effect of the effective area on the cell *** distribution of different physical fields is systematically *** of the cell performance is also pursued by systematically tuning the cell operating condition and the current collection *** improvement of 42%is revealed by modifying the inlet gas flow rates and by enhancing the current *** the future,optimization of cell geometry will be performed to improve the homogeneity of different physical fields and thus to improve the stability of the cell.

关键词： solid oxide fuel cell(SOFC) large effective area flow rate discharge performance current collection

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地下煤气化合成气平管型固体氧化物燃料电池直接内重整发电特性

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硅酸盐学报 2024年第6期52卷 1791-1798页

作者：桑君康王继平杨钧朱良柱官万兵中国科学院宁波材料技术与工程研究所浙江省先进燃料电池与电解池技术重点实验室浙江宁波315200

以地下煤气化合成气为燃料,研究了平管型固体氧化物燃料电池的直接内重整发电特性。结果显示以地下煤气化合成气(加拿大的Swan Hills煤矿区)模拟组分为燃气时,在750℃下电池的最大功率密度为361.9 mW·cm^(-2),达到了相同状态下氢气燃... 详细信息

以地下煤气化合成气为燃料,研究了平管型固体氧化物燃料电池的直接内重整发电特性。结果显示以地下煤气化合成气(加拿大的Swan Hills煤矿区)模拟组分为燃气时,在750℃下电池的最大功率密度为361.9 mW·cm^(-2),达到了相同状态下氢气燃料对应性能的91.6%。在该燃料气氛下,以300 mA·cm^(-2)连续稳定运行960 h,电池的欧姆阻抗、极化阻抗分别由0.108、0.4852Ω·cm^(2)增大至0.190、0.494Ω·cm^(2),对应增长率分别为0.085、0.009Ω·cm^(2)·kh^(-1)。Raman光谱及微观结构分析结果显示,电池性能的衰减主要是由燃料孔道表面的积碳、活性阳极层的镍颗粒团聚及镍含量损耗所致,通过增加合成气中CO_(2)的含量可一定程度上抑制积碳,提高电池运行稳定性。

关键词：地下煤气化合成气稳定性固体氧化物燃料电池

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Study on undercooling of metal droplet in rapid solidification

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Science China(Technological Sciences) 2005年第6期48卷 632-637页

作者： GAO Yulai guan wanbing ZHAI Qijie XU Kuangdi School of Materials Science and Engineering Shanghai University Shanghai 200072 China School of Materials Science and Engineering Shanghai University Shanghai 200072 China School of Materials Science and Engineering Shanghai University Shanghai 200072 China School of Materials Science and Engineering Shanghai University Shanghai 200072 China

A mathematical model for the undercooling of the metal droplet during the rapid solidification is established, by which the factors that influence the undercooling of the metal droplet during the rapid solidification are analyzed, and the parameter $\zeta = \sigma _{SL} ^3 /\left( {T_L \Delta H^2 } \right)$ is defined as the impact factor of the undercooling for the droplet solidification. Different undercoolings of droplets induced by various rapid solidification conditions are mainly ascribed to the change of the impact factor. Moreover, it is shown that the larger of ζ, the higher the relative undercooling can be gained. Meanwhile, the parameters such as solid-liquid interfacial energy σ SL and latent heat of solidification ΔH also vary with the rapid solidification conditions of droplets.

关键词： droplet, rapid solidification, relative undercooling, impact factor.

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Conductivity and Oxidation Behavior of Fe-16Cr Alloy as Solid Oxide Fuel Cell Interconnect Under Long-Stability and Thermal Cycles

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Acta Metallurgica Sinica(English Letters) 2021年第5期34卷 668-674页

作者： Jianwu Zhou Qiangfeng Chen Junkang Sang Rongmin Wu Zhuobin Li wanbing guan Zhejiang Energy Group R&D Institute Co.LtdHangzhou311121China Ningbo Institute of Material Technology&Engineering Chinese Academy of SciencesNingbo315201China Zhejiang Energy Beilun Power Generation Co.Ltd Ningbo315800China

Conductivity and oxidation behavior of Fe-16Cr alloy were investigated under long-term stability operation at 750℃and thermal cycles from room temperature to 750℃.The results showed that the area specific resistance(ASR)of Fe-16Cr alloy increased over time and reached about 56.29 mΩcm~(2)after 40,000 h of long-term stability operation at 750℃by theoretical *** ASR of Fe-16Cr remained about 11 mΩcm~(2)after 52 thermal cycles from room temperature to750℃.The analysis of structure showed that the oxidized phase on the surface of Fe-16Cr was mainly composed of Cr_(2)O_3and Fe Cr_(2)O_(4)spinel phase under long-term stability operation at 750℃.While the Cr_(2)O_(3)phase was mainly observed on the surface of Fe-16Cr alloy after 52 thermal cycles,the oxidation rates of Fe-16Cr alloy were 0.0142μm h~(-1)and 0.06μm cycle~(-1)under long-term stability operation and under thermal cycle,*** property of Fe-16Cr alloy with 2.6 mm thickness met the lifespan requirement of interconnect for solid oxide fuel cell(SOFC)*** Cr element all diff used onto oxidation surface,indicating that it was necessary to spray a coating on the surface to avoid poisoning cell cathode of *** 2-cell stacks were assembled and tested to verify the properties of Fe-16Cr alloy as SOFC interconnect under long-term stability operation and thermal cycle condition.

关键词： Fe-16Cr Interconnect Long-term stability Thermal cycle Solid oxide fuel cell

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Pulsed electrolysis of carbon dioxide by large-scale solid oxide electrolytic cells for intermittent renewable energy storage

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Carbon Energy 2023年第4期5卷 2-12页

作者： Anqi Wu Chaolei Li Beibei Han Wu Liu Yang Zhang Svenja Hanson wanbing guan Subhash C.Singhal Key Laboratory of Advanced Fuel Cells and Electrolyzers Technology of Zhejiang Province Ningbo Institute of Materials Technology and EngineeringChinese Academy of SciencesNingboZhejiangChina Faculty of Science and Engineering University of Nottingham Ningbo ChinaNingboZhejiangChina

CO_(2) electrolysis with solid oxide electrolytic cells(SOECs)using intermittently available renewable energy has potential applications for carbon neutrality and energy *** this study,a pulsed current strategy is used to replicate intermittent energy availability,and the stability and conversion rate of the cyclic operation by a large-scale flat-tube SOEC are *** hundred cycles under pulsed current ranging from -100 to -300 mA/cm^(2) with a total operating time of about 800 h were carried *** results show that after 100 cycles,the cell voltage attenuates by 0.041%/cycle in the high current stage of−300 mA/cm^(2),indicating that the lifetime of the cell can reach up to about 500 *** total CO_(2) conversion rate reached 52%,which is close to the theoretical value of 54.3% at -300 mA/cm^(2),and the calculated efficiency approached 98.2%,assuming heat *** study illustrates the significant advantages of SOEC in efficient electrochemical energy conversion,carbon emission mitigation,and seasonal energy storage.

关键词： carbon dioxide cyclic electrolysis pulse current solid oxide electrolytic cells

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不同还原条件下制备的固体氧化物燃料电池支撑阳极Ni-YSZ的性能

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硅酸盐学报 2015年第5期43卷 650-656页

作者：汪峰缪馥星官万兵中国科学院宁波工业技术研究院浙江宁波315201 宁波大学机械工程与力学学院浙江宁波315201

研究了不同还原条件下制备的固体氧化物燃料电池Ni-YSZ支撑阳极的性能变化规律。结果表明:600℃以下还原时,阳极的微观结构较差,Ni颗粒较易团聚,对应的抗弯强度在恒温和升温还原时分别为4.32和14.31 MPa;600℃及以上还原时,阳极的微观... 详细信息

研究了不同还原条件下制备的固体氧化物燃料电池Ni-YSZ支撑阳极的性能变化规律。结果表明:600℃以下还原时,阳极的微观结构较差,Ni颗粒较易团聚,对应的抗弯强度在恒温和升温还原时分别为4.32和14.31 MPa;600℃及以上还原时,阳极的微观结构均匀一致,Ni颗粒分布均匀,对应的抗弯强度在恒温和升温还原时分别高达14.92和56.63 MPa。恒温和升温还原时,支撑阳极的孔隙率随着还原温度的升高均先增大后减小,其中恒温还原在700℃达到最大,升温还原在400℃达到最大。从支撑阳极综合特性判断,无论恒温还原还是升温还原,Ni O-YSZ阳极支撑电池的最佳还原温度以不低于600℃为佳。

关键词：支撑阳极镍-氧化钇稳定的氧化锆还原温度微观结构孔隙率力学性能

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表面修饰对La_(0.6)Sr_(0.4)Co_(0.2)Fe_(0.8)O_(3)-δ阴极性能及稳定性的影响

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稀有金属材料与工程 2022年第2期51卷 705-711页

作者：蔡东民杨钧王建新官万兵中国科学院宁波材料技术与工程研究所浙江宁波315201 中国科学院大学材料科学与光电技术学院北京100049

本研究采用一步溶液浸渍法对La_(0.6)Sr_(0.4)Co_(0.2)Fe_(0.8)O_(3)-δ(LSCF)表面进行了La_(2)NiO_(4)+δ(LNO)纳米颗粒修饰。扫描电镜分析显示,LNO纳米颗粒均匀分布在LSCF表面,颗粒粒径在50~250 nm。电化学测试表明,与空白LSCF相比,修饰了LNO的阴极极化电阻降低了41%~50%,并且稳定性有明显提高:在750℃保温约125 h后,其极化电阻仅增大了50.42%,而空白LSCF阴极则增大了76.89%。X射线衍射分析表明在750℃保温100 h后LNO-LSCF表面出现了La_(2)SrO_(x)相。X光电子能谱分析表明,长期保温100 h后,LNO-LSCF阴极的表面Sr含量比保温前减少了3.66%,而空白LSCF阴极则增多了26.95%,说明通过表面修饰LNO可抑制LSCF表面的Sr偏析。

关键词：固体氧化物燃料电池表面修饰 LSCF 浸渍

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渐变型流道燃料电池热-电-力-化多场耦合数值模拟

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力学季刊 2023年第2期44卷 316-328页

作者：徐琪缪馥星官万兵宁波大学冲击与安全工程教育部重点实验室浙江宁波315211 浙江省先进燃料电池与电解池技术重点实验室中国科学院宁波材料技术与工程研究所浙江宁波315201

本文设计了一种渐变型气体流道的平管型固体氧化物燃料电池(Solid oxide fuel cell,SOFC),并建立了热-电-力-化学多物理场耦合三维模型,模拟并对比分析了渐变型和蛇形两种不同流道结构在平管型固体氧化物燃料电池不同电压下的气体流速... 详细信息

本文设计了一种渐变型气体流道的平管型固体氧化物燃料电池(Solid oxide fuel cell,SOFC),并建立了热-电-力-化学多物理场耦合三维模型,模拟并对比分析了渐变型和蛇形两种不同流道结构在平管型固体氧化物燃料电池不同电压下的气体流速、温度、电流密度和热应力大小.结果表明,当电压高于0.7 V时,渐变型流道气摩尔分数相比蛇形流道情形增加了1.9%.在相同电压下,渐变型流道结构的电流密度增加了0.72%,渐变型流道情形的气体出口处流速增加了148%,且渐变型流道SOFC的温度场和热应力相比蛇形流道情形分别降低了8.7%和61.5%.

关键词：蛇型流道渐变型流道多场耦合分析数值模拟固体氧化物燃料电池

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应用于大尺寸平板型固体燃料电池电堆的Al_(2)O_(3)-SiO_(2)-CaO基密封材料软化特性及其验证

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硅酸盐学报 2021年第1期49卷 20-25页

作者：卢晶晶缪馥星任海森官万兵宁波大学冲击与安全工程教育部重点实验室浙江宁波315211 中国科学院上海硅酸盐研究所上海201899 中国科学院宁波材料技术与工程研究所浙江宁波315201

设计研制了Al_(2)O_(3)-SiO_(2)-CaO基密封材料,对其高温晶化与软化、热性能、界面黏结特性开展了原位观察,并进行了电堆实际应用验证。结果表明:在不高于1 100℃时该密封材料均为非晶态,850℃开始软化,900~1 000℃出现球化。热重分析... 详细信息

设计研制了Al_(2)O_(3)-SiO_(2)-CaO基密封材料,对其高温晶化与软化、热性能、界面黏结特性开展了原位观察,并进行了电堆实际应用验证。结果表明:在不高于1 100℃时该密封材料均为非晶态,850℃开始软化,900~1 000℃出现球化。热重分析表明密封材料在0~960℃的质量损失较小,约为0.06%;密封材料与连接板、电池界面黏结紧密,利于固体氧化物燃料电池(SOFC)电堆密封应用。采用研制的密封材料组装了2个5单元SOFC短堆,分别进行了热循环与稳定性研究。结果表明:2个5单元电堆的开路电压达到6.0 V,平均开路电压1.2 V,电堆1热循环前后在35 A(0.56 A/cm^(2))条件下输出功率为运行无衰减,电堆2在27 A(电流密度0.43 A/cm^(2))进行恒流放电,运行300 h较为稳定。

关键词：密封玻璃软化温度球化温度电池堆固体氧化物燃料电池

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基于平面度的燃料电池电化学性能模拟

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力学季刊 2020年第3期41卷 410-418页

作者：谷宇晨蒋聪盈官万兵仲政同济大学航空航天与力学学院上海200092 中国科学院宁波材料技术与工程研究所浙江宁波315201 哈尔滨工业大学(深圳)理学院广东深圳518055

固体氧化物燃料电池的翘曲会影响电极-盖板界面的接触情况,从而影响电化学性能,对相关制造工艺提出了很大的挑战.为了分析燃料电池平面度对放电过程的影响,揭示其潜在的风险,我们建立了两个基于有限元法的仿真模型,对考虑平面度缺陷的... 详细信息

固体氧化物燃料电池的翘曲会影响电极-盖板界面的接触情况,从而影响电化学性能,对相关制造工艺提出了很大的挑战.为了分析燃料电池平面度对放电过程的影响,揭示其潜在的风险,我们建立了两个基于有限元法的仿真模型,对考虑平面度缺陷的燃料电池封装和放电进行分析.在对固体氧化物燃料电池进行平面度测量的基础上,首先建立了具有真实燃料电池翘曲特性的几何模型,分析封装过程中接触压力的分布情况.然后将接触电阻的仿真结果导入到三维多物理场耦合模型中,模拟具有平面度缺陷的燃料电池电化学性能.计算结果展示了燃料电池两侧封装过程中接触压力的分布情况.通过对比有接触电阻和无接触电阻的燃料电池电流密度,分析了电池与盖板的接触对放电过程的影响.结果表明,燃料电池的凹陷面较难达到满意的接触状态,需要比凸起面更大的封装压力.燃料电池表面接触电阻的变化将引起电流传导路径的变化,产生局部高电流或低电流.这项工作强调了在燃料电池中保持均匀分布的接触电阻的重要性,为今后的优化工作奠定了基础.

关键词：燃料电池数值模拟多场耦合平面度

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