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高温固体氧化物燃料电池(SOFC)一种极具应用前景的高效能源利用方法。高温工作特性使其可以广泛使用各种化石能源和生物质能源等含碳物质做为燃料。然而在使用这些含碳燃料时,往往会产生固态碳沉积(积碳),而积碳现象会严重降低电池长期工作稳定性。对于Ni/YSZ阳极支撑电池而言,由于阳极厚度大且镍对积碳反应具有高催化活性,因此积碳问题尤其严重。本论文即主要研究Ni/YSZ阳极支撑电池的积碳机理与衰减行为。
研究中利用热力学模型分析了常见SOFC燃料在应用中的积碳可能性。结果显示各种含碳物质直接作为SOFC燃料时,都会不同程度出现积碳。当使用水蒸气对燃料进行重整以避免积碳时,甲醇和乙醇理论上仅需要0.5的水碳比即可避免积碳。对于常见的煤气和生物质气,理论上水碳比为1时重整即可避免积碳。天然气水蒸气重整理论上避免积碳所需的最小水碳比为1.5。
研究中发现电流、温度、燃料气流量都对阳极支撑SOFC的衰减有着重要影响。增大电流、减小燃气流量都会加快电池衰减,即电池在高燃料利用率下衰减速率明显增大。燃料重整气中各种组分对电池性能有着不同的影响,但是在没有积碳现象发生的情况,合成气组分并不会对电池衰减速率造成明显影响。如果出现积碳现象,电池性能将会以较大的速率衰减。
研究显示SOFC的运行条件(温度、电流等)对积碳现象有显著的影响。SOFC放电可以抑制沉积碳的产生。而工作温度则直接决定了沉积碳的形貌和积碳衰减机理。当电池工作温度在700℃以上时,积碳将优先在电池阳极表面区域发生。沉积碳包覆在镍表面并将其分解为纳米颗粒,从而破坏Ni/YSZ金属陶瓷的骨架结构,导致阳极电导率大幅降低,引起电池快速衰减。而在这一过程中会产生很大的内应力聚集,使得阳极变形,并最终引起电池破裂。由于这种积碳过程会导致阳极结构遭到破坏,因此电池性能衰减是不可逆的。当电池工作温度在700℃以下时,碳对阳极结构的破坏作用变得很弱,而且碳将大量沉积在电池内部。这时,碳会沉积在三相界面上,阻碍电化学反应,引起电池性能衰减。由于这种情况下,沉积碳并未破坏电池结构,电池性能衰减是可逆的。