Trans Tianjin Univ | 甲醇燃料管状固体氧化物燃料电池的温度梯度分析

PART01

文章信息

Qidong Xu, Meiting Guo, Lingchao Xia, Zheng Li, Qijiao He, Dongqi Zhao, Keqing Zheng, Meng Ni. Temperature Gradient Analyses of a Tubular Solid Oxide Fuel Cell Fueled by Methanol, Trans Tianjin Univ, 2022, https://doi.org/10.1007/s12209-022-00331-0

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https://link.springer.com/article/10.1007/s12209-022-00331-0

PART02

本文亮点

1. 本文建立了一个二维数学模型来研究管式甲醇燃料SOFC的热响应。

2. 本研究可为实际SOFCs的运行工况选择、结构设计和稳定性评估提供深入的热力学信息。

PART03

背景及意义

固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种很有前途的未来能源装置，因为通过SOFC可以将燃料的化学能通过电化学方式产生电能，与传统火力发电厂相比效率更高，温室气体排放更低。SOFC通常在高温(873-1273K)下运行，以保持陶瓷电解质适度的氧离子电导率，从而为SOFC系统提供各种有益的方面。例如，利用更便宜的镍(Ni)金属作为SOFCs中的化学/电化学催化剂，比质子交换膜燃料电池(pemfc)具有更经济的前景。此外，在SOFCs中利用碳氢化合物、醇类、氨、生物质，甚至固体碳发电是可能的，因为这些燃料源可以在阳极环境下内部转化为更有效的燃料(H₂和CO)。内部重整过程使SOFCs能够高效和可持续的运行，因为吸热重整和放热电化学过程的热耦合可以提高电池效率，而将可再生燃料生产与直接碳氢或酒精SOFCs集成在一起，有望实现碳中和发电。此外，由于电池效率低，产生了大量的废热，其中燃料的热值较低(LHV)占20%-50%，因此，废气可以进一步用于底部循环，产生额外的动力，使系统整体效率最大化。

PART04

图文导读

图1 由甲醇/蒸汽混合燃料供给的阳极支撑SOFC示意图

图2 空气流速对a电流密度， b空气利用率， c氧摩尔分数在阴极中部沿电池长度的分布， d不同温度下阳极-电解质-阴极的平均温度的影响

图3  在a 873 K和b 1073 K时，空气流量对电解液轴向温度梯度和中间温度分布的影响 

图4 不同温度下，过量空气比例对电解液中部最大轴向温度梯度的影响

图5 a，b操作电位对轴向温度梯度和温度的影响; c，d在a、c 873 K和b、d 1073 K不同温度下电解液中部局域电流密度分布

图6 操作电位对a吸热甲醇分解反应能耗，b在不同温度下电解液中间的最高还原温度的影响

图7 操作电位对a吸热甲醇分解反应能耗，b在不同温度下电解液中间的最高还原温度的影响

图8973 K和1073 K空气温度增量对电化学性能和阳极-电解质-阴极平均温度的影响

图9当温度为a 973 K时，b电池上游(0 ~ 10 mm)温度为1073 K时，空气温度增量对电解质中部轴向温度和温度梯度分布的影响; c局域电流密度沿电池长度分布，d燃料入口温度为973 K时，沿电池长度在阳极中部的H2和CO的摩尔分数

图10973 K时，空气温度增量对电池上游(0 ~ 10 mm) a阳极和b阴极中部轴向温度和温度梯度分布的影响

图11973 K时不同流动方式的电池温度分布

图12 a电解液中部沿电池长度方向的轴向温度梯度、b温度和c电流密度分布在973 K下，沿电池长度方向H2和CO的d摩尔分数

图13973 K(距离燃料入口a 59 mm, b 30 mm, c 1 mm)下电池三个位置的径向温度分布

图14973 K(距离燃料入口a 59 mm, b 30 mm, c 1 mm)时电池三个位置的径向温度梯度分布

PART05

通讯作者简介

 郑克晴 

郑克晴博士于2016年3月获得香港理工大学博士学位。2016年7月加入中国矿业大学，2019年12月晋升为副教授。郑博士的研究方向包括燃料电池建模、燃料电池热管理和基于燃料电池的热电联产系统。

 倪萌 

2007年获香港大学博士学位。2009年7月加入香港理工大学，2012年7月升任副教授，2016年7月升任副教授兼研究副主任。他于2021年7月被任命为建设及环境学院副院长。2017年，倪教授作为洪堡研究员在德国Jülich Forschungszentrum进行了合作研究。他的研究方向包括燃料电池、可充电金属-空气电池、电化学水分解和低品位废热利用的电化学系统。担任《Science》、《Nature Communications》、《Joule》、《Advanced Materials》等80多家学术期刊的积极审稿人。2015-2017年任《科学通报》副主编。目前，他是Sustainable Energy Technologies and Assessments(Elsevier)和e-Prime (Elsevier)的高级编辑，以及《International Journal of Green Energy》(Taylor & Francis)和《International Journal of Energy Research》(Wiley)的副编辑。

Transactions of Tianjin University

天津大学学报（英文版)

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《天津大学学报（英文版）》是由教育部主管、天津大学主办的学术性英文期刊，被EI、Scopus等多家国际著名数据库收录。2018年改版为专业刊，重点刊登能源材料、能源化学与化工领域的原创性、创新性研究成果，包括太阳能利用、产氢与储氢、二氧化碳捕获和转化、燃料电池、电池和超级电容器、催化、煤炭和石油的清洁利用、生物燃料、能源政策等主题。本刊与Springer合作出版，在SpringerLink上全文在线，做到了快速审稿和出版。2016年入选“中国科技期刊国际影响力提升计划”，2019年入选“中国科技期刊卓越行动计划”，2021年荣获“中国国际影响力优秀学术期刊”，2022年入选《科技期刊世界影响力指数（WJCI）报告》。欢迎大家关注和投稿！

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