固体氧化物燃料电池综合测试系统研究
固体氧化物燃料电池的研究前沿
固体氧化物燃料电池的研究前沿固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种高效、清洁的能源转换技术，具有很高的能量转换效率和较低的环境影响。
近年来，固体氧化物燃料电池的研究逐渐走向前沿，不断取得新的突破和进展。
本文将就固体氧化物燃料电池的研究前沿进行探讨。
固体氧化物燃料电池是一种将化学能直接转换为电能的高温电化学器件，其工作原理是通过将燃料气体（如氢气、甲烷等）和氧气在阳极和阴极催化剂的作用下发生氧化还原反应，从而产生电能和热能。
固体氧化物燃料电池具有高能量转换效率、低污染排放、燃料灵活性强等优点，被广泛认为是未来清洁能源的重要选择之一。
在固体氧化物燃料电池的研究领域，有几个方面的前沿研究尤为引人关注。
首先是材料的研究。
固体氧化物燃料电池的性能受到材料的制约，如阳极、阴极、电解质等材料的选择和性能直接影响着电池的性能和稳定性。
近年来，研究人员通过合成新型材料、优化材料结构等手段不断提高固体氧化物燃料电池的性能，如提高电导率、降低极化、提高抗硫化性能等，从而推动固体氧化物燃料电池技术的发展。
其次是界面和反应动力学的研究。
固体氧化物燃料电池是一个复杂的多相多组分体系，其中阳极、阴极、电解质等界面的反应过程对电池性能有着重要影响。
研究人员通过表面工程、界面设计等手段来调控界面反应，提高电池的性能和稳定性。
同时，研究固体氧化物燃料电池中的反应动力学规律，揭示反应速率与温度、压力、成分等因素之间的关系，对于优化电池操作条件、提高电池效率具有重要意义。
此外，固体氧化物燃料电池的堆级系统集成也是当前的研究热点之一。
固体氧化物燃料电池堆是由多个电池单元组成的，堆级系统集成涉及到堆内温度、压力、气体流动等多个参数的控制和优化，旨在提高整个系统的能量转换效率和稳定性。
研究人员通过优化堆内流场、改进堆结构、设计高效热管理系统等手段来提高固体氧化物燃料电池堆的性能，推动固体氧化物燃料电池技术的商业化应用。
最后，固体氧化物燃料电池的智能化和自适应控制也是当前的研究热点之一。
固体氧化物燃料电池的研究及其应用前景
固体氧化物燃料电池的研究及其应用前景固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell, SOFC）是指一种基于氧化物电解质的能源转换设备，具有高效率、低污染等优点，是解决能源和环境问题的重要途径。
SOFC的研究从20世纪60年代开始，经过几十年的发展，已经进入了工程应用阶段，具有广泛的应用前景。
一、SOFC的原理及特点SOFC是一种通过将氢、甲烷等燃料在电解质中氧化释放电子，并在电流作用下合成水和CO2的化学反应实现能量转换的设备。
氧化物电解质材料一般为ZrO2、Y2O3、Sc2O3等，核心部件是阳极、阴极、电解质和电极间隔等。
SOFC的输出电压高，能达到1.2V以上，而且效率高达50%-70%以上，远高于传统燃烧能源转化的效率。
除此之外，SOFC还具有以下特点：①燃料多样性，可利用天然气、甲烷、乙醇、乙烷等多种化合物；②低污染，SOFC的化学反应产物主要是水和二氧化碳，排放可控制在很小的范围内；③稳定性高，SOFC的耐久性好，可以工作数万小时而未出现显著的性能下降；④噪音低，没有传统燃烧式发电机的噪音和振动；⑤经济性好，SOFC的综合能量转化效率高，可以降低能源成本。
二、SOFC技术研究的进展随着燃料电池技术的不断发展，SOFC研究的重点逐渐由基础研究及单电池研究转向系统研究和工程应用，进展迅速。
在电解质和电极材料、微观结构及界面反应、高温氧化、堆设计和制造等方面有了很大的突破，SOFC的稳定性和耐久性得到了显著提升。
1. 电解质和电极材料电解质材料是SOFC的核心，其稳定性和离子传导率等性能直接影响SOFC的性能。
目前电解质材料主要有ZrO2、Y2O3、Sc2O3等氧化物，其中YSZ（Yttria Stabilized Zirconia）最为常用。
除此之外，还有钙钛矿型氧化物、氧化铈等新型电解质材料，其离子传导率、热膨胀系数等性能均有明显优势。
阴阳极材料是SOFC电子和离子传输的重要通道，其耐腐蚀性和导电能力等性能对SOFC的工作性能和寿命均有影响。
实验三、固体氧化物燃料电池(SOFC)的输出特性.
实验三、固体氧化物燃料电池（SOFC）的输出特性
一、实验目的
1．了解SOFC的工作原理与结构；
2．了解SOFC的输出外特性变化的基本规律；
3．了解SOFC与PEMFC的异同。
二、实验仪器
1．SOFC测试系统一套
2．氢气、氩气、氮气、氧气各一瓶
3．管状SOFC单电池一个
三、实验任务
1．SOFC燃料电池输出外特性测试
(1)首先将电池置于SOFC测试系统的管式炉内，然后将氢气通入电池阳极
侧，将氧气通入电池阴极侧，调整流量分别为0.5 SLPM，然后，开启管式炉电压，按照3 o C/min的加热速率升温；
(2)测试氢气流量和氧气流量分别为0.5 SLPM时，工作温度为800 o C、900 o C
和1000 o C的输出特性。
分别测试电池的开路电压，然后由大到小调整负载电阻，测试SOFC单电池的电压随输出电流密度的变化曲线，最后，将电池组正负极短路，测得电池组的短路电流，完成外特性特性；
四、实验报告
1．整理实验数据，绘制SOFC单电池的外特性；
2．分析SOFC单电池输出外特性变化的基本规律，并根据SOFC的输出外特性曲线，分析不同输出电流密度范围对应的极化特性；
3．分析工作温度对SOFC单电池空载电压和最大输出功率密度的影响；
4．结合PEMFC的实验结果，分析SOFC单电池与PEMFC单电池的功率输出时极化特性的异同。
固体氧化物燃料电池热管理系统的研究与设计
固体氧化物燃料电池热管理系统的研究与设计固体氧化物燃料电池(SOFC)具有高能量转化效率、零污染、零噪声等优点,因此是一种十分理想的可替代能源。
SOFC在应用中,要保持安全、高效的运行状态,SOFC电堆的工作温度环境起着关键作用,为此必须为其设计出合理的SOFC热管理系统对其工作温度进行合理、有效的控制。
SOFC热管理系统的设计需要考虑的因素很多,主要包括工艺结构的设计、控制策略的设计、控制策略的实现等几个重要方面,本文将从以上这三个方面入手对SOFC热管理系统进行设计。
本文的工作主要包括:首先,从工艺结构上对SOFC 热管理系统进行详细分析,并结合试验数据采用T-S模糊建模方法建立SOFC热管理系统的模型;然后,基于建立的模型,采用普通PI控制方式和串级PI控制方式对SOFC的工作温度进行控制,通过测试发现串级PI控制能更有效的控制SOFC 的工作温度,从而完成了控制策略的设计;接着,采用XPC快速控制原型方式将仿真下的控制策略转化为XPC平台下的实时控制代码,对控制策略进行验证,完成了控制策略的实现;最后,为了从体积庞大的XPC平台顺利过渡到小巧的MPC555平台,以提高系统的集成度向产品级目标迈进,完成了UCOS实时操作系统在MPC555平台上的移植。
固体氧化物燃料电池i系统模型及测试方法
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燃料电池系统固体氧化物燃料电池研究
燃料电池系统固体氧化物燃料电池研究燃料电池系统固体氧化物燃料电池（SOFC）作为一种高效、清洁能源转换技术，在能源领域备受关注。
SOFC具有高效率、低排放、运行稳定等优势，因此被广泛应用于汽车、船舶、航空航天等领域。
然而，SOFC仍然面临着诸多挑战，如高温运行、材料热膨胀系数不匹配、堆内温度梯度过大等问题，限制了其实际应用。
因此，对SOFC进行深入研究，探索其性能提升和工程化应用具有重要意义。
固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种利用固体氧化物电解质将燃料和氧气直接转化为电能的电化学装置。
与传统燃烧发电相比，SOFC具有高效率、低排放、长寿命等优势。
SOFC由金属电极、阳极、阴极和电解质四部分组成，其中电解质通常采用氧化物，如氧化钇稳定氧化锆(Yttria-Stabilized Zirconia, YSZ)。
反应过程主要包括氧化还原反应，具体如下：在阳极：燃料（如氢气）+氧离子（在电解质中）-> 电子 + 水蒸气；在阴极：氧气 + 电子 -> 氧离子 + 自由基氧；电子通过外部电路流回到阳极，与氧离子在阳极再次发生反应，完成电流的闭合回路。
整个过程中，氧离子在电解质中传导，电子在电极中传导，完成了能量的转换。
SOFC作为一种高效、清洁的能源转换技术，具有广阔的应用前景。
然而，SOFC依然存在着一些问题，如高温运行、材料热膨胀系数不匹配、堆内温度梯度过大等挑战，限制了其实际应用。
为了解决这些问题，需要对SOFC进行深入研究，并提出相应的解决方案。
在SOFC燃烧的过程中，高温运行是其面临的一个主要挑战。
传统SOFC需要在800°C至1000°C的高温下运行才能保持良好的性能，这不仅增加了设备成本，还可能导致材料的热膨胀不匹配、寿命缩短等问题。
因此，降低SOFC的运行温度，提高其低温效率，是当前研究的重点之一。
为了解决SOFC高温运行的问题，研究者们提出了许多新的材料和结构设计。
固体氧化物燃料电池-燃气轮机混合动力系统建模仿真研究进展
固体氧化物燃料电池-燃气轮机混合动力系统建模仿真研究进展固体氧化物燃料电池/燃气轮机混合动力系统建模仿真研究进展近年来，氢能技术在能源领域得到了广泛关注，其中固体氧化物燃料电池（SOFC）和燃气轮机（GT）混合动力系统成为了研究的热点。
这种混合动力系统结合了SOFC和GT的优势，能够提供高效、清洁的能源转换方案，具有广阔的应用前景。
为了更好地理解和优化这种混合动力系统，建模仿真研究成为了一种重要的方法。
建模仿真是通过对系统进行数学和物理建模，然后使用计算机算法对模型进行模拟和优化的过程。
在固体氧化物燃料电池/燃气轮机混合动力系统的研究中，建模仿真技术发挥着关键作用。
通过建立系统的数学模型，并应用适当的模拟算法，可以研究系统在不同工况下的运行特性，预测系统的性能表现，优化系统的设计参数等。
在固体氧化物燃料电池/燃气轮机混合动力系统的建模仿真研究中，研究者主要关注以下几个方面。
首先，建立固体氧化物燃料电池模型是研究的基础。
固体氧化物燃料电池是一种高温电化学装置，其工作原理涉及电化学反应、传质过程和热传导等多个物理学过程。
研究者通过建立固体氧化物燃料电池的数学模型，可以描述电流密度、电压损失、电子和离子的传输等关键参数，并通过仿真来验证模型的准确性。
其次，建立燃气轮机模型是研究的另一个重要方面。
燃气轮机是一种常用的能量转换装置，其工作原理涉及燃烧、旋转机械和传热等多个物理学过程。
研究者通过建立燃气轮机的数学模型，可以描述压力、温度、转速等关键参数，并通过仿真来验证模型的准确性。
此外，研究者还需要建立固体氧化物燃料电池/燃气轮机混合动力系统的集成模型。
这种集成模型需要同时考虑固体氧化物燃料电池和燃气轮机的特性，并将两者进行耦合分析。
通过建立集成模型，研究者可以研究系统在不同工况下的运行特性，分析系统的能量转换效率，优化系统的运行策略。
此外，模型验证也是研究的重要一环。
通过与实际系统的运行数据进行比对，可以验证和修正建立的数学模型的准确性。
固体氧化物燃料电池(SOFC)研究报告
Experimental Setup and investigation
§ Generate experimentally polarization curves for different situations Example of proposed experimental plan
AC Power
Heat
Bottoming Cycle Co-generatig SOFC
Electricity Air Depleted Air
Air
SOFC
Fuel
H2, CO 2, H2O, CO
OTM Afterburner
CO 2, H2O
Aspen Plus SOFC Model
15 RECUPER
9
Air
Exhaust
14 10 Q4 8 HEATER2
EJECTOR
REFORMER
CATHODE 12
HEATER1 13 AFTERBUR
1
2 11 7 Q1 3 ANODE Q2 4 COOLER1 Q3 Q 6 5 SPLIT
SOFC Research at Waterloo - Personnel
n
Supervisors: – Eric Croiset, assistant professor – Peter Douglas, professor – Michael Fowler, lecturer – Evgueniy Entchev, research scientist, CANMET
§ Develop the cell performance map based on operation of H 2 and CO mixtures § Generate parameters for correlations used in the AspenPlus model
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固体氧化物燃料电池综合测试系统研究摘要：本文提出一套容量为200W固体氧化物燃料电池综合测试系统（SOFCITS）的设计方案。
该方案详细列出了各部件选型依据，所选型号以及参数说明。
该系统功能主要包括：电池封接性能的测试，单电池发电性能的测试以及小型电池堆发电性能测试。
由于系统的开放式结构，基于该系统的设计架构，还可以根据具体需要进行扩展以满足测试需求。
1、引言固体氧化物燃料电池（SOFCs, Solid Oxide Fuel Cells）的研究过程，涉及到电池组元材料的性能评价、电池封接性能的评价以及电池堆发电性能的评价等等。
目前，国内SOFCs的研究，已经由电池材料和电池制备的阶段进入到电池堆的组装和发电试验阶段。
发电试验阶段的测试评价工作赖以进行的平台，就是固体氧化物燃料电池综合测试系统（SOFC－ITS, Solid Oxide Fuel Cell Integrated Test System ）。
本文给出了一套容量为200W的SOFC－ITS设计方案。
该方案不仅适用于小型固体氧化物燃料电池堆的评价测试，也符合中等规模测试系统的设计思路。
2、SOFC－ITS设计本文给出的SOFC－ITS设计，主要由以下几部分构成：（1）燃料供应单元。
主要包括燃料供给和燃料处理。
燃料供给涉及到燃料气压力调节、流量调节和温度调节；燃料处理涉及到燃料气干燥、增湿和预热。
（2）氧化剂供应单元。
氧化剂通常为空气，该单元主要包括空气供给和空气处理。
空气供给涉及到压缩机的压力调节、流量调节和温度调节；空气处理，主要是空气过滤和预热。
（3）保护气供应单元。
采用N2作保护气，在电池堆启动和关闭过程进行吹扫保护，在热循环过程中对Ni/YSZ阳极抗氧化保护，以及电池堆出现故障停机时进行吹扫保护。
（4）尾气处理单元。
尾气处理单元主要是尾气的冷却，冷凝，分离及氧敏性分析，尾气成分分析及燃料利用率计算。
（5）高温电炉。
一台燃料气和氧化剂的预热电炉，工作温度约800℃；两台提供电池反应环境的高温电炉，工作温度约1000℃。
三台均为程序控温电炉。
（6）数据采集及电子负载系统。
数据采集系统主要是实现对电池电压、电流的采集，并对电池电阻进行分析。
采用美国Arbin公司生产的BT2000系列电池测试设备，它具备数据采集和电子负载的双重功能。
2.1 SOFCITS工艺过程流程图SOFCITS工艺过程流程图及其组件说明见图1。
图1 SOFCITS工艺过程流程图对图1中各部件说明如下：（1）阀件说明：RVx代表减压阀；HVx代表针形阀；AVx代表电磁阀（扩展备用）；CVx代表止回阀；Qx代表三通；Px代表压力表；Fx代表体积流量计；Tx代表高温温度仪表；tx代表指针式低温温度表，其中x代表序号，以下同。
（2）电池通道：Anode代表阳极气体通道；Cathode代表阴极气体通道；SOFC 代表电池堆；Cell代表单电池。
（3）仪器说明：标号①代表氢气干燥器；②代表氢气增湿器；③代表空气过滤器；④代表混合气体缓冲器；⑤燃料气和氧化剂预热炉（共用）；⑥代表电池堆实验高温电炉；⑦代表单电池实验高温电炉；⑧、⑨代表Arbin测试设备；⑩代表氧分析仪；⑾代表阳极出气冷凝器；⑿代表阳极出气干燥器；⒀代表气相色谱仪；⒁代表阳极尾气燃烧器；⒂代表阳极出气冷却器；⒃代表阴极出气冷却器。
2.2 主要组件型号选择根据系统容量、操作条件及测试项目要求，对于主要仪器及仪表给出详尽的选型依据与计算方法。
2.2.1 气体反应速度计算及流量计选择在以H2为燃料的电池反应中，H2与O2按化学计量比2:1进行反应，每1摩尔H2会放出2摩尔电子，故该反应会产生4F的电荷（F为法拉第常数，即96485 C·mol-1，以下同）。
据此可以推导出氧气的反应速度见下式（1）：（1）其中P stack为电池堆的功率，V cell为每片电池的电压（对于电池堆，可以理解为各片电池的平均工作电压，以下同）。
通常情况下，电池堆所需氧气是由空气提供的，将上式变换成空气流速并将空气的消耗速度单位mol·s-1换成L·min-1（标准状况下）得：（2）同样方法可以推导，标准状况下氢气的消耗速度（L·min-1）：（3）对于200W电池堆，可由此式算得标准状况下空气消耗速度为4.43 L·min-1，标准状况下H2的消耗速度1.78 L·min-1。
计算中取V cell为0.75V。
如果反应中某种物质的消耗速率为r L·min-1，则供给的速率就应为λr L·min-1。
这里定义变量λ为裕量系数。
比如取λ等于2，则标准状况下H2和空气的供应速度分别为2.56 L·min-1和8.86 L·min-1。
据此，各流量计量程选择见表1。
表1 流量计型号选择2.2.2 温度及压力仪表选择温度计t1、t2、t3测量中低温，选择了WSS型普通轴向双金属温度计。
这是一种适合测量中、低温的现场监测工业仪表，可以直接测量并显示气体的温度。
温度计T1、T2、T3、T4测量高温，选择了SBWR型一体化数显温度器。
该温度计采用K偶采集温度，该种热电偶的正极为含铬10%的镍铬合金，负极为含硅3%的镍硅合金。
采用四位LCD显示现场温度。
氢气压力表P1、P5，氮气压力表P2、P6，空气压力表P3、P7及氧气压力表P4，均采用Y系列轴向不锈钢压力表，其工作温度为-40～70℃。
实际应用表明，压力表工作在满量程的66％左右精度最高。
各温度计及压力表量程选择见表2。
表中及文中的正体t x、T x、P x、F x代表仪表；斜体t x、T x、P x、F x代表物理量，x 表示序号，以下同。
表2 温度计/压力表型号选择2.2.3 高温电炉及测试设备选择预热电炉⑤为特殊定制，其炉膛内固定两套不锈钢盘管（φ10×1），预热通过盘管的待反应气体。
提供电池反应环境的高温电炉⑥和⑦，也为特殊定制，程序控温。
应保证高温电炉⑥和⑦的温场相对均匀，程序升温和降温平滑，以减少电池测试中的不确定因素。
各电炉规格见表3。
表3 程序控温电炉规格选择两套BT2000系列Arbin电池测试设备，其中⑧的规格为±0.0001A、±0.01A、±1A，±10 V(DC)；⑨规格为±1A、±5A、±35A，±50 V(DC)。
该设备与计算机串行口连接，利用Arbin MIT Pro软件编程测试电压，电流及电阻，并可进行数据处理，然后导出Excel报表。
氧分析仪⑩采用GPR-12MS型微量氧分析仪，量程：10 ppm；精度：±2% of FS（在20℃时）；分辨率：10ppb（在10ppm量程）。
气相色谱仪⒀为国产GC-9890A 型气相色谱仪，该仪器性能指标和惠普公司HP-5890基本一致。
3、测试系统功能3.1 测试通道定义为便于叙述测试系统的多项功能，对于电池堆测试，首先定义以下几个测试通道，见表4。
表4 电池堆测试通道同理可以定义单电池测试通道，即单电池阳极进气通道1-2、单电池阳极进气通道2-2、单电池阴极进气通道3-2、单电池阴极进气通道4-2、单电池阳极出气通道1-2、单电池阳极出气通道2-2及单电池阴极出气通道3-2。
3.2 测试项目该系统的设计能实现三个方面的测试评价功能：封接性能、单电池性能、电池堆性能。
3.2.1 电池气密和封接材料性能测试气体泄漏对电池测试的影响分为两个部分：一是由于漏入的O2与H2反应产生H2O，导致电动势E mf降低；二是由于相对周围环境压力梯度导燃料体积减少影响燃料利用率[1]。
因此封接材料测试和电池气密性测试成了SOFCs测试中至关重要的一个环节。
(1) 串气测试：在高温电炉⑤装配好待测试样，编程升温至测试所需温度，进气通道2-1通入N2，进气通道3-1压入空气，同时关闭通道中不相关组件。
调节压力使得空气压力P3大于N2压力P2，在电池堆阳极出气通道1-1利用氧分析仪进行氧敏性分析。
(2) 漏气测试：在高温电炉⑤装配好待测试样，编程升温至测试所需温度，对于阳极气道检漏，在进气通道2-1通入N2，同时关闭通道中不相关组件。
读取入口N2压力P2、流量F2、温度T0（室温）和出气通道2-1的出口N2流量F6、压力P5、温度t2，可以用Clepeyron方程计算阳极损失比率η，即气体泄漏速度与供应速度的比率（量纲为1）。
损失比率η计算公式的推导结果为：（4）式中，由于Clepeyron方程中的气体压力和温度分别是绝对压力和热力学温度，所以上式中各压力值加上了1个标准大气压P0（即101325 Pa），各个温度值加上了T0（即273.15K）。
各压力、流量及温度的单位分别为Pa、L·min-1及K。
以下计算同上。
同样，用Clepeyron方程推导漏率l（单位是sccm）的计算公式，结果为：（5）可以证明，分别用Berthelot维里方程和Clepeyron方程计算所得结果相差无几。
由于测试过程中存在系统误差和随机误差，并且误差具有传递性[2]，可以认为泄漏比率η在±5%内为合理范围。
同理，可以测量电池堆阴极的泄漏比率和漏率。
藉此，可以做电池堆的前期测试评价工作，或者做各种封接材料的测试评价工作。
2.1.1 电池堆和单电池性能测试电池或者电池堆的电压效率ζ、燃料利用率u及电池堆电效率ε等三个参数是判断电池堆设计成功与否的重要依据，以下详细讨论这三个参数的测试分析。
（1）电池堆电性能参数测试利用Arbin测试设备采集电池电压V cell、V stack、电流I、功率P stack等参数并计算电池的电压效率ζ（V cell/E0，即工作电压/开路电压）及内阻R。
（2）计算燃料利用率在电池平稳反应的状态下，读取进气通道1-1中的H2流量F1、压力P1、温度t0（室温）和出气通道1-1的H2流量F5、压力P5、温度t1。
利用Clepeyron方程计算H2消耗速度r(H2)（单位mol·s-1）为：（6）式中，R为通用气体常数，其值为8.314×103 L·Pa·mol-1·K-1，以下同。
下面给出H2利用率u，即燃料反应速度与消耗速度的比率（量纲为1）的推导结果：（7）利用公式（7）和测试所得电池性能参数可以分析不同利用率对电池堆性能的影响。
（3）电池堆的电效率计算电池堆的效率可以定义如下[3]：ε＝输出电功率/单位时间输出的化学能这可由采集到的电功率Pstack和氢气消耗速度r1(H2)计算得出：（8）式中，ΔH是电池反应中氢气的摩尔生成焓。