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SoFC中干甲烷在Ni-ScSZ阳极上的氧化行为

第 25卷第 3期 化学反应工程与工艺 Vo125.No3 2009年 6月 ChemicalReactionEngineeringandTechnology June 2009 文章编号 :1001--7631(2009)03--0216--07 SoFC中干 甲烷在 Ni-ScSZ阳极上的氧化行为 由宏新 丁信伟 周一卉 刘润杰 阿布里提 ·阿布都拉。 (1_大连理工大学化工学院,辽宁 大连 116012; 2. 日本青森工业综合研究所新能源研究部,日本 青森 030一O113) 摘要 : 以氧化钇稳定 的氧化锆 (YSZ)做电解质 ,氧化钪稳定 的氧化锫 (Ni-ScSZ)为阳极 ,研究 了不 同 浓度干甲烷在 固体氧化物燃料 电池 阳极上的氧化行为。改变甲烷浓度 ,利用色谱在线测量不 同电流密度下 阳极出 口气体产生 的种类与速率 。通过氧的分析与反应发生时的电子数分析 ,研究 了干 甲烷在 Ni—SeSZ阳 极的氧化行为 ,并对 比研究 了相 同浓度 的于 甲烷在 Ni—YSZ阳极上 的氧化行为 。结果表明,在 Ni-ScSZ阳 极上 ,高浓度干 甲烷与在 Ni—YSZ阳极上类似 ,由甲烷裂解反应生成 的碳发生氧化反应生成 CO;低浓度 干甲烷在电流密度较低的情况下 ,在 1000℃可发生CO氧化反应 ,生成 C02。在 Ni—YSZ阳极上 ,低浓度 干甲烷在较高 电流密度下 ,在生成 COa的同时甲烷发生完全氧化反应。 关键词 : 固体氧化物燃料 电池 }甲烷 ;氧化行为 ;阳极 中图分类号 : 文献标识码 :A 高温固体氧化物燃料电池 (sOFC)的优点之一是利用比氢便宜 的燃料 ,比如用天然气 (其主要 成分为甲烷)。甲烷可以通过不 同工艺过程转化而在 SOFC上应用 ,重要 的是直接利用甲烷在 SOFC 上发电并产生合成气 ,但是如果甲烷不经重整而直接在传统的Ni—YSZ阳极使用,会产生积碳,进而 导致阳极退化L】]。SOFC的另一重要方面是要提高其发电性能,8 氧化钇稳定 的氧化锆 (YSZ)阳 极在 1000℃下的电导率是0.1S/cm,限制了电池的发电性能 ,因此需要采用 电导率更高的材料取代 YSZ。在 1000℃下,(SczO。)。l0。(ZrO2)。lg2(8一ScSZ,氧化钪稳定的氧化锆)的电导率为0.3S/cm,就是 良好的YSZ替代材料 ]。 在 Ni—ScSZ阳极上 ,3 H2O—CH 直接作燃料可用于 SOFC[4]。与 Ni—YSZ阳极相 比,Ni—ScSZ 阳极表现出较低的过电位和优异的耐久性 ,用 3 HO—CH 作燃料 ,于0.5A /cm 的电流密度下, 电池工作 lOh在 Ni—ScSZ阳极上产生较少 的积碳[5]。Gunji等也采用 3 H。O—CH 作燃料,研究了 Ni—ScSZ阳极上的积碳行为L6],发现 ,800℃时电池电压降低且不稳定 ,而 900℃时电池性能在开始 的70h增加 ,以后变得稳定 。电池在 900℃运行后,观察 电池有少量 的碳 。这表明在上述温度 区间 内,碳沉积速率不同引起稳定性的变化。 上述研究都采用了含有 3 H。O的甲烷作为燃料,因为要消除积碳需要足够的水 。为了详细了解 干甲烷在在 Ni—ScSZ阳极上发生的反应 ,尤其需要 了解电流密度及 甲烷浓度变化对有关反应的影响, 确定在不同电流密度下有无充分的水 ,本研究将通过分析阳极 出口气体的成分,研究在电流密度及 甲 烷浓度变化时的阳极氧化行为 。 1 实验方法 1.1 电池制作 制作电池采用厚度0.5mm、lmm,直径20mm,8 (mo1)Y2O。掺杂的ZrO。(8一YSZ)电解 收稿 日期 :2008—12—29;修订 日期 :2009—04—05 作者简介 :由宏新 (1963一),男,副教授。E-mail:youhx@sina.corn 第 25卷第 3期 由宏新等.SOFC中干 甲烷在Ni-ScSZ阳极上的氧化行为 217 质板 (日本 Tosoh公司);阳极用 NiO粉 (

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