瓦斯成分對(duì)燃料電池性能的影響研究

邊秀玲

（山西焦煤西山煤電發(fā)電事業(yè)部屯蘭瓦斯電廠，山西 太原 030200）

0 引言

瓦斯的利用能夠進(jìn)一步減少溫室氣體的排放，這對(duì)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)有著重要的作用[1]。瓦斯主要以燃料電池的形式被利用，其中含有大量的氮?dú)猓∟2）以及少量的甲烷（CH4）、氧氣（O2），還存在有微量的水（H2O）、硫化氫（H2S）和高級(jí)烷烴等。這也導(dǎo)致固體氧化物燃料電池（SOFC）陽極內(nèi)的反應(yīng)相對(duì)更為復(fù)雜[2]。目前我國在該方面的研究相對(duì)較少，加強(qiáng)低濃度瓦斯成分應(yīng)用以提高燃料電池性能也成為當(dāng)前產(chǎn)業(yè)綠色化發(fā)展的必然措施。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及測(cè)試方式

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的搭建

為了進(jìn)一步驗(yàn)證瓦斯成分對(duì)燃料電池性能的影響，本次研究需要提前搭建一套實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，以此模擬不同成分含量下瓦斯作為燃料時(shí)的電池性能情況。在系統(tǒng)的搭建過程中，主要包含有以下幾方面：

1）配氣系統(tǒng)。該系統(tǒng)的主要目的是為實(shí)驗(yàn)提供不同成分的低濃度瓦斯。

2）加熱系統(tǒng)及電池夾具。SOFC 在600～1 000 ℃條件下才能發(fā)電。該系統(tǒng)為電池燃料提供足夠的溫度，而電池夾具主要用于固定電池。

3）電化學(xué)性能測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)的主要作用是測(cè)定不同組分瓦斯作為燃料情況下SOFC 的放電極化曲線。

4）燃料氣體成分測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)的主要目的是為了檢測(cè)配備氣體內(nèi)部各成分含量是否準(zhǔn)確。

5）溫度測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要目的是為了測(cè)定電池樣機(jī)的溫度，確保實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛟跍?zhǔn)確的溫度下進(jìn)行。

除此之外，本次實(shí)驗(yàn)所應(yīng)用的電池為常規(guī)陽極支持SOFC，該電池陽極材料為復(fù)合陽極，主要由氧化鎳（NiO）、釔摻雜氧化鋯（8 mol% Y2O3-ZrO2，YSZ）所構(gòu)成，并且將YSZ 作為電解質(zhì)；陰極材料為復(fù)合陰極，主要由LSCF 以及GDC 所構(gòu)成，并且在電池陰極和電解質(zhì)之間加入GDC 過渡層，以此來避免陰極材料和電解質(zhì)在高溫條件下發(fā)生反應(yīng)。

1.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試方案

1）將SOFC 單電池利用導(dǎo)電銀漿粘接在夾具相應(yīng)的位置處，并進(jìn)行烘烤，直至銀漿完全固結(jié)。

2）將固結(jié)完成的電池置于管式爐爐膛中間，進(jìn)而確保溫度的準(zhǔn)確性和可靠性。

3）打開進(jìn)氣、出氣管路，將氮?dú)馔ㄈ胂到y(tǒng)當(dāng)中，檢查整個(gè)系統(tǒng)的氣密性。

4）在測(cè)試系統(tǒng)當(dāng)中通入40 sccm 氫氣，注意通入測(cè)試系統(tǒng)的氫氣需要首先通過水浴加濕器。水浴加濕器溫度調(diào)至30 ℃，經(jīng)過加濕器后的氫氣內(nèi)部含水量為3%。

5）打開管式爐，將升溫速度設(shè)置為3 ℃/min，在溫度達(dá)到800 ℃后停止升溫，保持爐溫3 h，此項(xiàng)操作能夠使電磁陽極NiO-YSZ 還原為Ni-YSZ。

6）利用電化學(xué)性能測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試SOFC 此時(shí)的放電極化曲線。

7）利用混合氣體代替氫氣通入測(cè)試系統(tǒng)當(dāng)中，混合氣體是由40 sccm 的N2以及5 sccm 的CH4所構(gòu)成的，混合氣體當(dāng)中所含有的CH4體積分?jǐn)?shù)為11.1%?；旌蠚怏w在進(jìn)入測(cè)試氣體之前也需要通入水浴加濕器，之后氣體內(nèi)部含水量為3%。為了確保氣體完全轉(zhuǎn)換完成，需要在混合氣體通入3 h 后開始測(cè)試SOFC此時(shí)的放電極化曲線。

8）依次在測(cè)試系統(tǒng)當(dāng)中通入不同CH4和O2濃度的低濃度瓦斯模擬氣，測(cè)試方式與步驟（7）一致。測(cè)試所用的瓦斯模擬氣成分如表1 所示。本文所選取不同成分下的低濃度瓦斯模擬器并不具有爆炸風(fēng)險(xiǎn)。

表1 實(shí)驗(yàn)各組所用低濃度瓦斯成分含量

9）在Rmix為0、0.8、1 的條件下測(cè)試低濃度瓦斯作為燃料時(shí)SOFC 的長期穩(wěn)定性。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析研究

2.1 低濃度瓦斯中氧氣濃度/ 甲烷濃度（Rmix）對(duì)SOFC 性能的影響（見圖1）

圖1 H2 和不同Rmix 下的低濃度瓦斯作為燃料時(shí)電流密度與電壓的關(guān)系

由圖1 可知，在低濃度瓦斯作為燃料時(shí)，Rmix越小，電池的活化極化現(xiàn)象越嚴(yán)重，而隨著Rmix不斷增大，活化極化現(xiàn)象會(huì)逐漸減弱，但濃差極化現(xiàn)象會(huì)逐步加強(qiáng)。圖1 所測(cè)得的放電極化曲線是在爐溫800 ℃時(shí)進(jìn)行的，在此種條件下，Rmix為0.25、0.5、0.8、1、1.1時(shí)會(huì)產(chǎn)生較為明顯的濃差極化。出現(xiàn)此種情況的原因主要是由于當(dāng)?shù)蜐舛韧咚巩?dāng)中CH4含量減少，O2含量提升時(shí)，SOFC 陽極表面所產(chǎn)生的積碳也會(huì)減少，進(jìn)而導(dǎo)致活化極化現(xiàn)象變?nèi)?。與此同時(shí)，此種條件下陽極內(nèi)所產(chǎn)生的H2和CO 也會(huì)相對(duì)減少，進(jìn)而難以滿足SOFC 陽極所發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的需求，導(dǎo)致陽極濃差極化現(xiàn)象變強(qiáng)。除此之外，將H2作為SOFC 燃料時(shí)，活化極化和濃差極化現(xiàn)象均不明顯，但將低濃度瓦斯作為SOFC 燃料時(shí)，出現(xiàn)的濃差極化和活化極化在一定程度上對(duì)SOFC 的性能產(chǎn)生了不良的影響，因此選取合理的Rmix，降低兩種極化現(xiàn)象是提高SOFC性能的關(guān)鍵所在。

2.2 不同Rmix 下SOFC 的長期穩(wěn)定性分析

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)研究，SOFC 的長期穩(wěn)定性情況如圖2所示。

由圖2 可知，在溫度700 ℃時(shí)，Rmix為0、0.8、1 時(shí)放電電壓基本處于平穩(wěn)狀態(tài)。這也說明SOFC 在不同Rmix情況下均能保持良好的放電性能。因此，SOFC 對(duì)低濃度瓦斯內(nèi)部氧氣與甲烷濃度的變化有著較強(qiáng)的適應(yīng)性，這也進(jìn)一步說明低濃度瓦斯可以作為SOFC燃料。

2.3 低濃度瓦斯中H2S 對(duì)SOFC 性能的影響

由于瓦斯當(dāng)中所含有的H2S 量較小，因此本次在試驗(yàn)當(dāng)中用于檢測(cè)H2S 對(duì)SOFC 性能的影響時(shí)將H2S濃度控制為10×10-6。如圖3 所示，當(dāng)?shù)蜐舛韧咚怪泻?0×10-6H2S 時(shí)，同樣電流密度下電壓和功率密度明顯減小，由此可見瓦斯當(dāng)中H2S 含量會(huì)對(duì)SOFC的性能產(chǎn)生不利的影響。

2.4 低濃度瓦斯中高級(jí)烷烴對(duì)SOFC 電池性能的影響

在瓦斯當(dāng)中可以發(fā)現(xiàn)，其中也含有乙烷等高級(jí)烷烴。此種類型的烷烴相比較甲烷在高溫下更容易發(fā)生裂解反應(yīng)，因此在實(shí)際的應(yīng)用過程中也會(huì)導(dǎo)致電池陽極出現(xiàn)更為嚴(yán)重的積碳，久而久之會(huì)對(duì)電池性能產(chǎn)生不良的影響。在本次實(shí)驗(yàn)分析當(dāng)中，主要以低濃度丙烷作為高級(jí)烷烴，以此來判斷低濃度瓦斯中將高級(jí)烷烴作為燃料時(shí)對(duì)SOFC 電池性能的影響。在試驗(yàn)當(dāng)中主要取用的燃料氣體成為G、H 組實(shí)驗(yàn)氣體。

在整個(gè)試驗(yàn)當(dāng)中，當(dāng)燃料中不含O2時(shí)放電極化曲線出現(xiàn)較大的波動(dòng)，此時(shí)表明放電并不穩(wěn)定。當(dāng)燃料中加入O2時(shí)，放電極化曲線變化平緩，這也表明此種條件下放電穩(wěn)定，功率密度更高。

3 結(jié)論

1）為驗(yàn)證瓦斯成分對(duì)燃料電池性能的影響，本次實(shí)驗(yàn)首先根據(jù)測(cè)驗(yàn)要求搭建了相應(yīng)的試驗(yàn)平臺(tái)，并在安全的前提下制定了實(shí)驗(yàn)方案，確定了實(shí)驗(yàn)步驟.

2）根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果研究發(fā)現(xiàn)，低濃度瓦斯中Rmix變化范圍在0～1.1 時(shí)，SOFC 具有良好的電化學(xué)性能，并且也具備長期放電穩(wěn)定性。但隨著低濃度瓦斯中Rmix增大，濃差極化現(xiàn)象更為顯著，活化極化現(xiàn)象逐漸變?nèi)?。兩種極化現(xiàn)象均會(huì)對(duì)SOFC 產(chǎn)生不利的影響，因此未來降低SOFC 的極化損失，確保電池的開路電壓和電功率密度指標(biāo)，需要加強(qiáng)對(duì)Rmix的控制。

3）低濃度瓦斯中H2S 會(huì)對(duì)SOFC 性能產(chǎn)生不利影響，因此在將瓦斯作為電池燃料時(shí)需要去除其中的H2S。

4）由于瓦斯當(dāng)中含有微量高級(jí)烷烴，而高級(jí)烷烴在作為燃料燃燒時(shí)加入O2時(shí)放電穩(wěn)定性較好，因此低濃度瓦斯當(dāng)中含有的高級(jí)烷烴能夠進(jìn)一步提高SOFC 性能，但會(huì)導(dǎo)致陽極積碳嚴(yán)重，因此將低濃度瓦斯作為燃料的SOFC 需要進(jìn)行去積炭處理。