較之使用重整碳氫化合物燃料,直接碳氫化合物SOFC有很多好處:首先它結構簡單,省去了復雜的重整設備;由于沒有使用大量的水蒸汽,它的理論效率比使用重整燃料的更高;由于碳氫化合物燃料的能量密度比氫氣燃料的高很多,加上省去了復雜的重整設施,D2HCSOFC發電系統的體積能量密度和重量能量密度會很高,在便攜式電源、備用電源、輔助電源和分布式電站等應用方面具有很大的優越性。然而,碳氫化合物的分子比氫氣大得多且結構復雜,反應活性較差,涉及到的反應也比較復雜。
SOFC在高溫下工作,而碳氫化合物在高溫下容易發生裂解反應產生積碳,這是D2HCSOFC面臨的主要問題,需要得到很好的解決。
SOFC的工作原理燃料與氧發生氧化還原反應的最簡單途徑就是燃燒,例如燃料H2與O2直接發生燃燒反應生成水,并產生大量的熱:H2+1Π2O2e-=H2O+241182kJΠmol(1)在這個氧化還原反應中,H2將電子直接傳遞給O2。
SOFC的基本結構是兩多孔電極中間夾一層致密電解質。陽極材料一般采用金屬鎳和電解質陶瓷材料制成的復合陶瓷金屬,陰極材料采用具有較好電子導電性的鈣鈦礦結構氧化物,例如摻雜錳酸鑭、鐵酸鑭等;電解質材料一般采用具有較高氧離子導電率而幾乎沒有電子導電性的氧化物材料,例如釔穩定化的氧化鋯(YSZ)。
H2在陽極的催化作用下,失去電子變成氫離子(質子)H+附著在陽極Π電解質界面處;O2在陰極的催化作用下得到電子變成氧離子O2-。顯然,陰極處的O2-濃度比陽極處的高很多。由于電解質能夠傳導氧離子,因此,陰極處的O2-在濃差作用下穿過電解質到達陽極Π電解質界面,與那里的H+結合生成水。在整個反應過程中,電子的傳遞是通過外電路實現的,因此這個反應只有當外電路接通時才能完成。電子通過外電路產生電能,具體反應可表示如下:陽極:H2→2H++2e-(2)
陰極:1Π2O2+2e-→O2-(3)總反應:H2+1Π2O2e-=H2O(4)此總反應(4)與前面的燃燒反應(1)的反應物和生成物相同,只是實現反應的途徑不同,產生的效果也不同。直接燃燒反應產生熱能,而通過電解質隔層發生的電化學反應主要產生電能。應該特別強調的是,盡管燃燒反應和電化學反應的途徑不同,但是他們都遵守相同的熱力學定律。
結論與展望直接碳氫化合物固體氧化物燃料電池(D2HCSOFC)可以通過控制工作溫度、使用合適的陽極催化劑和采用電化學氧化的方法達到抑制積碳的目的,從而使SOFC能夠直接使用廉價易得的碳氫化合物燃料高效地運行。
D2HCSOFC電池組(或電堆)的性能研究。現有的D2HCSOFC研究基本上都是針對單電池進行的,單電池的反應面積小、氣道短,進氣口和出氣口的氣體成分差別不大,燃料利用率低。但D2HCSOFC要投入實際應用,必須制成電池組。SOFC電池組與單電池不同,反應面積變大,特別是氣道長,要求燃料利用率高,進氣口和出氣口的氣體成分差別很大,這必定會產生更多的問題。因此,今后在D2HCSOFC電池組的研究方面,還需做大量的工作。
|