基于对称固体氧化物燃料电池可逆循环的综合能源系统基础问题研究

Symmetrical solid oxide fuel cell (SSOFC) is one of the efficient and reversible energy conversion devices as well as easy to manufacture. Considering the reversible operation between electricity generation and hydrogen production, this project proposes to build the first 200W SSOFC cogeneration and power storage system. Focusing on the key scientific problems, the research contents mainly include the following items. Firstly, we will study the relationship between morphology, composition, and interface with electrochemical reaction mechanism as well as transport properties in the composite electrodes. Secondly, an all-in-one matrix of SSOFC with "Porous|desnes|Porous LSGM" configuration will be prepared and its catalytic activity determined by the structure of composite under different oxidizing and reducing atmospheres will be investigated. The results are also of importance not only for elucidating the mechanisms of heat and mass transfer in SSOFC, but also for understanding the mutual coupling of the system in different operating conditions. Thirdly, a model will be established for the district energy-supply system on the basis of SSOFC optimization. Compared to the traditional fuel cell power generation and cogeneration system, the new system is of the advantage of electricity storage, resulting in a greater flexibility in power dispatch and operation in power grid (or micro-grid). Moreover, the system will also provide the transfer between electricity and hydrogen for the future energy internet and hydrogen-era, which makes it a significant device for the connection of various energies.

对称固体氧化物燃料电池(SSOFC)具有简单的制备工艺，是一种高效的能源转换新技术。本项目基于SSOFC在“发电”和“制氢”之间可逆运行的特点，创新性地提出搭建200W SSOFC热电联产-制氢系统。针对关键科学问题的研究内容有：首先，研究纳微结构电极的微观形貌、组成、界面特性对输运和电化学性能的影响机制；其次，构造“多孔|致密|多孔LSGM ”一体化基体并揭示其在多次氧化和还原气氛中工作时的催化活性与结构间的关联；最后阐明 SSOFC在微尺度条件下电极内部传热传质机理，以及多工况和工作模式下系统部件的相互耦合特性，并建立新能源导入下的SSOFC区域供能系统优化调度模型。与传统燃料电池发电及热电联供系统相比，该系统增加了制氢储能功能，提高了在电网（或微网）运行调度方面的灵活性；同时，面向未来氢能时代和能源互联网的发展，该系统可实现电能与氢能之间的大规模相互转换，是不同能源互联的关键环节。

面向未来氢能时代的到来和能源互联网的发展，需要开发电能与氢能输送网络之间的电-气大规模能源转换新技术。燃料电池作为一种能源转换装置，在分布式发电领域的应用已经覆盖了从小型热电联供到大型发电站等多个方面。固体氧化物燃料电池(SOFC)装置无论大小，其实际发电效率可达40～60%，若热电联产联用，其综合能源效率可达85%以上。本项目利用对称固体氧化物燃料电池（SSOFC）可逆运行的独特性，创新性地提出了SSOFC热电联产-制氢功能一体化的装置构想，实现在同一设备内发电和产氢储能的功能，并通过集成热电联产，提高能源综合利用效率。项目首先揭示了复合对称电极材料在强氧化和强还原气氛中的输运性质和电化学催化机理,阐明了对称电极在发电和产氢模式下的界面演化行为规律, 分析了SSOFC内部传热传质与系统输出特性之间的关联性,突破了LSGM一体化对称电池的制备及热电联产-产氢样机的设计方法,最后, 对利用SSOFC的区域综合供能系统进行优化配置和综合评估。. 本项目对于不同工作模式下电池的微观特征与性能的内在联系的研究、开发的高精度SSOFC电堆多物理场耦合模型和数值分析方法以及新能源导入下的SSOFC区域供能系统的优化调度模型，有助于设计和开发新型、高效SSOFC电极材料、电池堆和区域供能系统，进一步推动SSOFC系统的效率、稳定性和寿命的提升，具有十分重要的意义。项目成功制造并集成了～200W可逆运行SSOFC发电-产氢系统样机，实现了可逆的发电-电解产氢功能。该样机的调试运行有望提高电氢协同技术在电网（或微电网）运行调度方面的灵活性，改善供电可靠性和电能质量。无论在发电或制氢模式下，该系统都能保证余热供给，可以实现热、电的解耦，对新能源消纳具有重要的作用。热电联产-产氢系统样机的的制造和示范运行有望抢占下一代分布式能源设备的制高点，为我国在未来新能源技术领域的进一步发展提供技术储备。.