以H-,2--CO為燃料的SOFC的電性能與極化特性的研究.pdf

1、固體氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell，SOFC)是一種高溫操作的全固態(tài)能量轉(zhuǎn)換裝置，具有效率高、燃料適應(yīng)性強等優(yōu)點。本文針對天然氣、合成氣及水煤氣等工業(yè)上常見的燃料氣源，研究了H<,2>-CO組合氣體為燃料時SOFC的發(fā)電性能；利用氣相色譜儀(GC)分析陽極尾氣，為下一步研究燃料氣體在電極的反應(yīng)規(guī)律及動力學(xué)行為打下基礎(chǔ)；并基于電池微觀結(jié)構(gòu)(多孔性、毛孔大小和顆粒大小)的交換電流密度與氣體擴散系數(shù)和操作參數(shù)(溫度

2、、壓力和氣體組分)建立了電化學(xué)數(shù)學(xué)模型，計算結(jié)果對優(yōu)化設(shè)計具有很好的參考價值．。 本文主要包括以下三部分內(nèi)容： (1)對不同條件下H<,2>和CO為燃料的Ni-YSZ/YSZ/LSM電解質(zhì)支撐SOFC的性能進行了測試。由實驗得出：①SOFC的性能隨著溫度和混合氣總流量增加成指數(shù)增大；②通入稀釋氣體N<,2>后，比燃料為純合成氣時的電池性能有了較大提高，且選擇適宜的N2濃度可得到較高的電池性能。最佳工作狀態(tài)出現(xiàn)在氮氣濃度為

3、30％～50％，此時電流密度為極限電流密度的45％～55％。 (2)測試SOFC性能的同時，利用氣相色譜儀(GC)在線檢測陽極尾氣成分，考慮陽極化學(xué)反應(yīng)進行質(zhì)量衡算，探究反應(yīng)機理和積碳的主要原因。①增大燃料氣中氫氣組分的濃度，有助于減少積碳量；②與高電流密度相比，低電流密度下，積碳量較多，在高電流密度下工作有助于減少積碳量。 (3)建立了用于分析平板式固體氧化物燃料電池發(fā)電特性的數(shù)學(xué)模型。模型的一個重要特性之一是，分別從

4、有效擴散系數(shù)和交換電流密度的角度考慮結(jié)構(gòu)和操作的參數(shù)對濃差、活化過電位的影響。分析結(jié)果標(biāo)明：顆粒尺寸遠小于孔徑，可得到10<'4>級的交換電流密度；歐姆極化和陽極活化極化是主要的電壓損失；降低電解質(zhì)厚度可明顯提高電池性能；溫度增加時，歐姆極化顯著下降，故提高溫度可使電池性能得到較大改善；經(jīng)與實驗數(shù)據(jù)比較，模型和實驗數(shù)據(jù)具有很好的一致性，電池輸出電壓計算值的平均誤差為4.5％，產(chǎn)生誤差的主要原因是模型未考慮積碳效應(yīng)的影響且忽略了界面接觸阻