开学啦，快收心！来Science Bulletin看看固体燃料电池的新进展

燃料电池是先进、高效、清洁、可持续发展的电化学能量转换装置，具有广阔的发展和应用前景。在燃料电池家族中，固体氧化物燃料电池(SOFC)属高温燃料电池，可以使用非贵金属作为催化剂，从而大大降低成本；同时电池燃料的选择也具有多样性。但是，目前过高的工作温度(800~1000℃)会带来系统操作成本提高以及热循环性变差等问题。因此，开发在相对较低温度下(400~700℃)仍能很好工作的SOFC成为研究热点。     目前SOFC寻求突破的两个主要研究方向为：

1寻找新型的电极和电解质材料以适应中低温操作的需要；

2通过优化电极微观结构和流道宏观结构以提高中低温燃料电池性能。

后者可以通过对电极微观结构及电池/电池堆流道结构的数值模拟或理论分析来实现。

      为使读者了解SOFC数值模拟或理论分析的前沿研究，Science Bulletin Associate Editor，香港理工大学的倪萌教授组织了“固体氧化物燃料电池模拟分析”专题。       该专题包括了来自亚洲、欧洲和北美的研究团队撰写的与SOFC电极微观结构分析、电极结构与性能关系、电池堆结构与性能关系以及电池操作参数与性能关系相关的5篇研究成果。倪萌教授撰写的Editorial介绍了固体氧化物燃料电池模拟分析的研究背景及进展。

EditorialModeling of Solid oxide fuel cellsMeng Ni Science Bulletin, 2016, 61(17):1311-1312

News & ViewsIs 2D stereological method good enough for quantification of solid oxide fuel cell electrode microstructure?Yanxiang Zhang, Jingbo Ma, Mufu YanScience Bulletin, 2016, 61(17):1313-1316

Article3D reconstruction size effect on the quantification of solid oxide fuel cell nickel–yttria-stabilized-zirconia anode microstructural information using scanning electron microscopy-focused ion beam technique Zhenjun Jiao, Naoki ShikazonoScience Bulletin, 2016, 61(17):1317-1323      简要回顾了聚焦离子束/扫描电子显微镜双束系统在固体氧化物燃料电池电极材料微结构定量分析中的应用. 基于聚焦离子束/扫描电子显微镜双束系统三维重构技术, 传统固体氧化物燃料电池镍-氧化钇稳定氧化锆燃料极微结构样本被定量分析. 还原及500 h放电后, 定量测定电极微结构的两相接触面面积、三相界面长度以及体积分率等三维材料表征. 基于镍在高温放电过程中呈现的团聚现象, 长时间放电后, 需要增加相应的三维重构尺寸以达到准确定量测量三维材料表征的目的.

Article
Modelling of finger-like channelled anode support for SOFCs application Bin Chen, Haoran Xu, Meng Ni Science Bulletin, 2016, 61(17):1324-1332      本文建立了固体氧化物纽扣燃料电池的数学模型, 研究阳极支撑中指孔状通道对气体传输过程的影响. 比较了当氢气作为燃料, 加通道和未加通道的纽扣燃料电池在不同温度和工作电压下的电流密度. 讨论了电池多孔阳极内的氢气摩尔分数分布、扩散通量以及对流通量分布. 发现在800℃, 0.5 V 下, 加通道的纽扣电池由于气体传输的优化, 性能比未加通道提高了2.60%. 模型被用于模拟合成气作为燃料的平板固体氧化物燃料电池. 在有指孔状通道的情况下, H2, CO, CH4和CO的摩尔分数梯度被有效降低, 800℃, 0.5 V时, 电池性能提高了5.93%. 本文论证了指孔状结构应用于阳极支撑层时, 对气体传输优化和电池性能提升的有效性. 模型可被用于进一步的通道结构设计和优化.

Article
Solid oxide fuel cell interconnect design optimization considering the thermal stressesMin Xu, Tingshuai Li, Ming Yang, Martin AnderssonScience Bulletin, 2016, 61(17):1333-1344       固体氧化物燃料电池组件的应力故障会导致裂纹进而引起气体泄漏、结构不稳定、电池寿命缩短等一系列问题. 本文建立了一个联立动量, 质量与热量守恒、离子和电子输运以及热应力的三维燃料电池综合模型. 首次在阳极支撑燃料电池三维综合模型基础上通过热应力问题优化电池集流体设计. 结果显示, 力学参数的不匹配以及温度场的不均匀分布导致电池共流模型的热应力小于逆流模型. 另外, 增加集流体与电极接触面积能够有效地降低热应力.

Article
Multiphysics modeling of solid-oxide iron–air redox battery: analysis and optimization of operation and performance parametersXinfang Jin, Kevin Huang Science Bulletin, 2016, 61(17):1345-1354        在最新建立的高精确度多物理场耦合模型的基础上, 本文重在对固态氧化物铁-空气氧化还原电池在800 和550℃工作状况下进行系统地研究、分析与比较. 具体对两种参数进行了分析: (1) 操作参数: 电流密度和放电深度; (2) 性能参数: 氧化还原单元的化学反应速率常数和再生固体氧化物燃料电池的交换电流密度. 通过对这两组参数的分析, 可以优化电池在不同温度下的工作状态, 以获得最高的比能量和循环效率. 

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