較之使用重整碳?xì)浠衔锶剂希苯犹細(xì)浠衔颯OFC有很多好處:首先它結(jié)構(gòu)簡單,省去了復(fù)雜的重整設(shè)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?xì)浠衔锶剂系哪芰棵芏缺葰錃馊剂系母吆芏啵由鲜∪チ藦?fù)雜的重整設(shè)施,D2HCSOFC發(fā)電系統(tǒng)的體積能量密度和重量能量密度會(huì)很高,在便攜式電源、備用電源、輔助電源和分布式電站等應(yīng)用方面具有很大的優(yōu)越性。然而,碳?xì)浠衔锏姆肿颖葰錃獯蟮枚嗲医Y(jié)構(gòu)復(fù)雜,反應(yīng)活性較差,涉及到的反應(yīng)也比較復(fù)雜。
SOFC在高溫下工作,而碳?xì)浠衔镌诟邷叵氯菀装l(fā)生裂解反應(yīng)產(chǎn)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(fā)生氧化還原反應(yīng)的最簡單途徑就是燃燒,例如燃料H2與O2直接發(fā)生燃燒反應(yīng)生成水,并產(chǎn)生大量的熱:H2+1Π2O2e-=H2O+241182kJΠmol(1)在這個(gè)氧化還原反應(yīng)中,H2將電子直接傳遞給O2。
SOFC的基本結(jié)構(gòu)是兩多孔電極中間夾一層致密電解質(zhì)。陽極材料一般采用金屬鎳和電解質(zhì)陶瓷材料制成的復(fù)合陶瓷金屬,陰極材料采用具有較好電子導(dǎo)電性的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)氧化物,例如摻雜錳酸鑭、鐵酸鑭等;電解質(zhì)材料一般采用具有較高氧離子導(dǎo)電率而幾乎沒有電子導(dǎo)電性的氧化物材料,例如釔穩(wěn)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(zhì)子)H+附著在陽極Π電解質(zhì)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(zhì)能夠傳導(dǎo)氧離子,因此,陰極處的O2-在濃差作用下穿過電解質(zhì)到達(dá)陽極Π電解質(zhì)界面,與那里的H+結(jié)合生成水。在整個(gè)反應(yīng)過程中,電子的傳遞是通過外電路實(shí)現(xiàn)的,因此這個(gè)反應(yīng)只有當(dāng)外電路接通時(shí)才能完成。電子通過外電路產(chǎn)生電能,具體反應(yīng)可表示如下:陽極:H2→2H++2e-(2)
陰極:1Π2O2+2e-→O2-(3)總反應(yīng):H2+1Π2O2e-=H2O(4)此總反應(yīng)(4)與前面的燃燒反應(yīng)(1)的反應(yīng)物和生成物相同,只是實(shí)現(xiàn)反應(yīng)的途徑不同,產(chǎn)生的效果也不同。直接燃燒反應(yīng)產(chǎn)生熱能,而通過電解質(zhì)隔層發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)主要產(chǎn)生電能。應(yīng)該特別強(qiáng)調(diào)的是,盡管燃燒反應(yīng)和電化學(xué)反應(yīng)的途徑不同,但是他們都遵守相同的熱力學(xué)定律。
結(jié)論與展望直接碳?xì)浠衔锕腆w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(xué)氧化的方法達(dá)到抑制積碳的目的,從而使SOFC能夠直接使用廉價(jià)易得的碳?xì)浠衔锶剂细咝У剡\(yùn)行。
D2HCSOFC電池組(或電堆)的性能研究。現(xiàn)有的D2HCSOFC研究基本上都是針對(duì)單電池進(jìn)行的,單電池的反應(yīng)面積小、氣道短,進(jìn)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(shí)際應(yīng)用,必須制成電池組。SOFC電池組與單電池不同,反應(yīng)面積變大,特別是氣道長,要求燃料利用率高,進(jìn)氣口和出氣口的氣體成分差別很大,這必定會(huì)產(chǎn)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。
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