封面文章 | 江苏科技大学魏涛副教授和陈代芬教授等:管式分段串联固体氧化物燃料电池发展的最新进展:实验与数值研究
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封面故事
封面显示了管式分段串联固体氧化物燃料电池的结构设计和工作原理。固体氧化物燃料电池是一种将燃料中的化学能直接转化为电能的技术。管式分段串联固体氧化物燃料电池将多个单管电池串联在同一个陶瓷支撑体上,这种设计可以提高电池的输出电压,同时降低了电池的欧姆损失,并且多个单电池的密封也变得简单。管式分段串联固体氧化物燃料电池的出现有助于大型发电系统的发展,推进了固体氧化物燃料电池商业化的进程。
文章信息
管式分段串联固体氧化物燃料电池发展的最新进展:实验与数值研究(点击查看原文)
韩硕,魏涛
引用本文:Shuo Han, Tao Wei, Sijia Wang, Yanlong Zhu, Xingtong Guo, Liang He, Xiongzhuang Li, Qing Huang, and Daifen Chen, Recent progresses in the development of tubular segmented-in-series solid oxide fuel cells: Experimental and numerical study, Int. J. Miner. Metall. Mater., 31(2024), No. 3, pp. 427-442.
https://doi.org/10.1007/s12613-023-2771-x
封面文章系统地回顾了管式分段串联固体氧化物燃料电池(SIS-SOFC)在制备方法、结构优化、性能改进和长期运行稳定性方面的进展。
02从实验和数值研究两个方面分析了近年来管式SIS-SOFC的研究热点。
03总结并提出了管式SIS-SOFC面临的挑战和未来发展。
文章导读
本文首先介绍了管式SOFC的不同结构及其优缺点,着重介绍了管式分段串联SOFC设计高电压低电流的特点。然后系统的介绍了管式SIS-SOFC各功能层的制备方法,如相转化法、挤出成型法、热喷涂法、丝网印刷法和浸渍法。管式SIS-SOFC的制造是一个涉及许多步骤的复杂过程,制造工艺的改进对管式SIS-SOFC的性能提升起着至关重要的作用。由于单个电池由多个功能层(阳极、电解质、阴极、连接体和功能层)组成,在电池的整体制造过程中需要考虑许多因素。
经过几十年的发展,管式SIS-SOFC的制造已经越来越成熟。多年来,越来越多的研究人员从不同方面对其进行了改进,例如结构优化、开发新的材料或优化气体分布等。结构优化包括通过改进电池组件的设计和布局来提高性能和耐用性。材料开发侧重于通过开发新材料或对现有材料进行改性来提高导电性和稳定性。气体分布的优化旨在消除气体分布不均导致的电压及温度场分布不均问题。这些领域对于提高管式SIS-SOFC的效率、可靠性和商业可行性至关重要。值得关注的是,关于电池机械性能方面的研究并不多,大多数研究者只关注了电池支撑体的机械性能。管式SIS-SOFC的商业化应用随着大型电堆的出现逐渐发展起来,通过将多个管式SIS-SOFC装配至一个模块中,再与燃气轮机或蒸汽轮机以及其他设备结合起来,就能形成大规模的发电系统。目前关于管式SIS-SOFC大型电堆的研究热点主要集中于缩短启动时间和保持长期运行的耐久性和稳定性方面。
最后,本文总结了管式SIS-SOFC所面临的挑战并对未来发展的可能方向进行了展望。文中指出,连接体在电池运行中起到了导电和隔离气体等作用,开发低成本的陶瓷基连接体材料是至关重要的。由于电池的降解机理尚不清楚,需要开发更先进的诊断技术来深入了解管式SIS-SOFC的降解行为。管式SIS-SOFC的大规模生产仍难以实现,这有待于如3D打印等自动化大规模生产技术的发展。此外,多物理场耦合技术与实验方法的结合也有助于提升管式SIS-SOFC的性能。
图1 管式SIS-SOFC组件及优点
图2 传统管式SOFC(a)和管式SIS-SOFC (b)结构示意图
图3 管式SIS-SOFC大型联合发电系统的组成
魏 涛,江苏科技大学副教授,硕士生导师,中国化学会会员,中国化工学会会员,主要研究方向为新能源科学与工程,多年来一直从事锂离子电池、钠离子电池电极材料的制备及表征,固体氧化物燃料电池(SOFC)的制备与优化等方面的研究。现主要从事全固态锂离子电池的研究,主持国家自然科学基金1项、江苏省博后基金1项,第二负责人负责2019年海装院燃料电池项目1项,已授权国家发明专利6项;已发表论文30余篇,ESI高被引4篇,个人H因子17,其中Nano Energy 单篇被引200余次。
陈代芬,江苏科技大学能源与动力学院院长,博士/教授三级,国家留学基金委国际合作试点培育项目(能源动力)负责人,江苏省船舶绿色动力及节能减排国际合作联合实验室(立项建设)主任,新能源技术与装置研究所副所长;中国可再生能源学会氢能专委会委员,能源行业高温燃料电池标准化技术委员会委员,中国机械工业教育协会新能源与储能工程专业教学委员会委员,全国新能源科学与工程专业联盟理事,江苏省333高层次人才工程培养对象,省青蓝工程培养对象,已发表SCI论文60余篇,其中一作及通讯SCI 近40篇。,单篇最高影响因子23.101,ISI总被引近1000次,H-index=18
封面文章供稿 | 韩硕
排版 | 许欢欢
编辑 | 陈佩仙
审核 | 黄冬华
《矿物冶金与材料学报(英文)》(InternationalJournal of Minerals, Metallurgy and Materials,IJMMM)是由教育部主管、北京科技大学主办、Springer Nature合作出版的英文学术期刊,1994年创刊,月刊。主要刊载矿物、冶金和材料领域的原创研究论文和特约综述等。被SCIE,EI,CAS,Scopus,ProQuest,OCLC,INSPEC等国际著名文摘或检索系统作为文献源期刊收录。入选中科院期刊分区二区。2021 JCR影响因子为4.8,在冶金与冶金工程学科和矿业工程与矿物加工学科位于Q1区, 在材料科学综合学科位于Q2区。2022 CiteScore为6.8,在金属与合金类、材料力学类、材料化学类等类别中均位于Q1区。入选《有色金属领域高质量科技期刊分级目录》T1级别;《冶金工程技术领域高质量科技期刊分级目录》T1级别。
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