以Ti部分替代Ni的Ni-YSZ阳极性能研究.pdfVIP

于建 国 等 ：以Ti部分替代 Ni的 Ni—YSZ阳极性能研究 以Ti部分替代 Ni的Ni—YSZ阳极性能研究 于建 国，王玉璋 ，惠 宇，翁史烈 (上海交通大学 机械与动力工程学院，动力机械与工程教育部重点实验室 ，上海 200240) 摘 要 ： 固体氧化物燃料 电池 (SOFC)可 以通过 阳极 SOFC的工作温度和环境下保持稳定 ，没有碳沉积 。 重整反应直接利用碳氢燃料 ，然而吸热的重整反应导 在前期工作 中，本课题组基于开发 的材料 以及新 致 Ni—YSZ阳极存 在很 大的温度梯度 。利用 Ti部 分 型结构，进行了以氢气 、甲烷为燃料的实验_1 ]和模拟 替代催化剂Ni，降低催化强度，控制 重整反应合理进 计算 [13-t6]。本文对在 Ni—YSZ阳极 中掺混不 同 比例 行，可以得到合适的温度梯度等特性。利用全三维数 Ti下的平板式 电极支撑 SOFC(PES—SOFC)进行模拟 学模型，量化研 究了以Ti部分替代 Ni—YSZ阳极 中Ni 计算 ，在以天然气 (CH )为燃料情况下，利用商用计算 的SOFC性能，在不 同Ni含量情况下，得到温度场、组 流体力学软件 (CFX4．4)和对应化学和 电化学开发的 分分布和输出电压等分布情况。可以看 出，在计算工 程序，构建平板式 PES—SOFC全三维数学模型 ，得 到 况下 ，当 Ni含量40 时 ，最大温度差和 Ni含量几乎 温度 、化学组分和电势等 的详细空间分布 ，以期对 Ni— 呈线性关系 ，当Ni含量4O 时，最大温度差 降低幅 YSZ阳极材料的性能优化提供一定帮助 。 度增大。相 同摩 尔分数的甲烷在 阳极 中出现 的位置和 2 计算模型 Ni的含量几乎呈线性变化 ，而最大氢气摩 尔分数随着 Ni含量的降低而降低，降幅逐渐增加 。随着 Ni含量 实际中 SOFC电池堆是由很多相 同结构的单电池 的降低 ，输 出电压随之降低 ，降幅逐渐增大。 叠加而成 ，每个单电池以串联方式连接 ，因此大多数单 关键词 ： SOFC；Ni—YSZ阳极 ；Ni含量 ；温度梯度；输 电池工作在相同的环境下，具有相同的性 能，通过对单 出电压 个 电池的性 能进行分析 ，来评估整个 电池堆 的性 能。 中图分类号 ： TM911．4 文献标识码 ：A 气体流动和传热传质的控制方程为全三维 N—S方程 文章编号：1001-9731(2Ol1)04—0655—04 组 ，湍流模型采用 k—e模型。在多孔介质 的电极 内，还 要结合应用具有相 同孔 隙率和渗透性 的Darcy’S方 1 引 言 程 引。 固体氧化物燃料电池 (SOFC)在从碳氢化合物燃 2．1 电化学模型 料转化为电能和热的方面上有着高效率、低噪音 、低污 在 电池 内燃料和空气采取顺 流形式 ，发生在 阴极 染排放 以及燃料灵活等特点 [1]。这要归 因于 Ni—YSZ 和 电解质的接触面上的电化学反应为 ： 阳极中Ni在相对较高的工作温度中很强的催化活性 O2+ 4P一一 20 一 (1) (大约 700～1000℃)[3,43。但是 Ni—YSZ(Ni的含量一 然后 ，氧离子穿过 电解质到达 阳极 。在阳极 和 电 般取 30 左右Ⅲc)在利用烃类燃料 时易发生积碳反 解质接触面上的电化学反应为 ： 应 ，且由于天然气中的一些杂质，特别是硫 ，会和 Ni反 H2+ O卜一 H2O+ 2e (2) 应 ，使 Ni发生硫中毒失去