洁净煤技术

作者：王怡楠, 王雨晴, 张瑞宇, 李晓晓, 史翊翔

关键词：固体氧化物燃料电池,阳极碳沉积,性能衰减,基元反应模型,相变

燃料灵活性是固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell,SOFC)的显著优势之一，但在使用碳氢化合物为燃料时，阳极碳沉积导致的电池性能衰减是影响SOFC长期稳定运行的最主要原因之一。为探明阳极碳沉积对电池性能的影响机制，构建了以合成气(H2、CO、H2O、CO2、CH4)为燃料的固体氧化物燃料电池一维瞬态基元反应动力学模型，模型考虑了阳极非均相反应、电化学反应、电极微观结构演变、电荷和质量传输过程以及碳相变过程的耦合效应。参考试验中不同时刻的电化学阻抗谱验证了模型的准确性，基于该模型提出了SOFC阳极碳沉积机制：在高温(>1 000 K)条件下，碳以薄膜碳的形式覆盖在阳极Ni表面和Ni/YSZ/气体三相界面，阻断了非均相反应和电荷转移反应的进行；在较低温度(<1 000 K)条件下，薄膜碳演化为固体碳，固体碳生长在多孔阳极内部，堵塞阳极孔隙，阻碍燃料气体扩散。所构建模型可以反映出这一机制。最后，利用模型研究不同燃料组分下阳极碳沉积导致的SOFC性能衰减。研究表明，降低燃料中CH4含量，可有效降低SOFC的性能衰减速度，提升SOFC运行性能。

来源：2023年第03期

《洁净煤技术》期刊编辑部

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