板式固体氧化物燃料电池阳极积碳研究 华栋.docVIP

中国工程热物理学会 传热传质学 学术会议论文 编号：板式固体氧化物燃料电池阳极积碳研究 华栋张兄文李国君 （西安交通大学能源与动力工程学院，热流科学与工程教育部重点实验室，西安，710049） （Tel：029Email: xwenz@mail.xjtu.edu.cn） 摘要： 关键词： 0前言 燃料电池是一种高效、环境友好的发电装置，可以直接将贮存在燃料和氧化剂中的化学能转化为电能。其中，固体氧化物燃料电池(SOFC)作为一种全固态的燃料电池，具有高功率、高能源转化效率等优点，在环境与能源备受人们关注的今天，日益受到各国政府和科技人员的重视[1-2]。 SOFC结构主要由阳极、电解质、阴极、连接体等四部分组成，阳极材料一般为NiO-YSZ，电解质材料为YSZ，阴极材料为LSM[3]。碳氢类燃料可以在SOFC阳极直接进行重整化而生成电化学反应气体和CO，但同时碳氢燃料在阳极Ni的催化作用下会发生裂解反应，裂解反应产生的积碳会堵塞SOFC阳极多孔介质，从而造成SOFC工作性能的下降，严重情况可使整个SOFC堆失去工作能力而报废[4]。目前国际上有关SOFC积碳问题的研究主要集中在两个方面，其一是开发具有抑制碳氢燃料裂解反应的阳极材料，其二研究通过控制SOFC工作参数如燃料气体组分[5]、温度和压力[6,7]等影响碳裂解反应的平衡，达到抑制碳的析出和形成。 本文借助Fluent数值计算软件，将SOFC电化学计算模型与积碳模型通过Fluent的自定义模块与控制方程、电势方程耦合求解，对板式固体氧化物燃料电池（SOFC）进行了三维数值模拟研究，分析研究了板式SOFC内部积碳趋势气体组分分布、温度分布 1电化学模型 1.1 SOFC反应过程 SOFC由流道、空气流道、连接体和PEN组成，气体在流动过程中进行如下化学反应： 阳极：H2+O2-→H2O+2e- 阴极：1/2O2+2e→O2- 总反应式为：1/2O2+H2→H2O 在阴极，空气中的O2与e-结合形成O2-，O2-通过电解质到达阳极与H2反应生成H2O并释放出e- ,e-通过连接体经外电路到达阴极，如此循环形成电流。 SOFC极化模型 本文采用完整极化的电化学反应模型，由能量守恒和熵守恒得到电化学反应电势方程： (1) 极化损失包括活化极化、欧姆极化和浓差极化，计算公式分别为： 活化极化损失由Butler-Volumer方程得到： () 欧姆极化损失： () 浓差极化损失： () 1.3 燃料重整化 若SOFC采用燃料内重整化设计，则在阳极有： CH4重整：CH4+H2O→CO+3H2 水汽转换：CO+H2O=CO2+H2 重整化反应速率为： () 水汽转化反应一个可逆反应，正反应和逆反应速率为： () 其中，Kshift为水汽转化反应的平衡常数，计算公式为Kshift=exp() 积碳模型：CH4裂解反应 CH4裂解反应主要有化学吸附和逐步脱氢两个过程，假设在镍表面裂解反应速率取决于以下分步反应： H2+2*?2H* CH4+2*?CH3*+ H* [2] CH3*+*?CH2*+ H* [3] CH2*+*?CH*+ H* [4] CH*+*?C*+ H* [5] C*+ss1?Cb1+* [6] Cb1+ss2?Cb2+ ss1 [7] Cb2+ws?Cw+ ss2 [8] 各反应方程中，*表示镍表面的空位，CHx*(x=0~3)表示吸附在空位上的物质种类。Cb1,Cb2表示吸附在不同镍层面空位上的碳原子，Cw为在空位中形成积碳的碳原子。假设，除速度控制步外，其他分步反应都达到平衡；在催化剂表面，空位对所有反应物吸附能力相同。 若反应为速度控制步，则 () 其中， ， 如果反应为速度控制步，则 (8) 上述公式中，Kn(n=1~5)表示反应-[5]的平衡常数；k2, k3对应反应和的正反应速率系数；θ*表示空位分数，θ*=1-θH-θCH3-θCH2-θCH-θC；θx表示被x物质所占据空位分数；通过反应,[5]和可以得到x=H, x=CH以及x=CH2的分数值： () 同理，当反应和作为速度控制步时，可得到相同表达形式的计算公式。 因速度控制步以外的其他反应都达到平衡状态，故θC保持不变,且与CH4和H2分压无关,速率方程可变为: (1) 实验结果表明,反应为速度控制步时，公式计算结果与试验结果吻合，因此，CH4裂解反应反应速率可表示为： (1) 2 数值模拟以及结果分析 2.1计算域几何尺寸及给定条件 图1