固体氧化物燃料电池内重整反应与电化学性能研究

作     者：刘蓬微 

作者单位：郑州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：靳遵龙

授予年度：2022年

学科分类：0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：固体氧化物燃料电池 数值模拟 内重整反应 瞬态响应 多物理场耦合 

摘      要：由于日益严重的环境问题,减少化石燃料的消耗,使用绿色清洁能源已经成为了不可阻挡的趋势。在所有绿色能源中,燃料电池无需燃烧即可将化学能转变成电能,它们被认为是最有前途的环保发电技术之一。其中固体氧化物燃料电池(SOFC)由于其高功率密度、燃料灵活性、热电联产能力、无需昂贵的催化剂等优点而受到越来越多关注。目前,SOFC的燃料仍以加湿氢气为主,但是大部分氢气来源于甲烷、丁烷等碳氢化合物在场外(远离燃料电池系统)生产的,未能充分利用SOFC的燃料灵活性。虽然氢气具有快速的氧化动力学,是SOFC的理想燃料,但高效、经济的生产和储存氢气仍然具有挑战性。因此,本论文以甲烷和甲醇为燃料建立了包含内重整反应的SOFC模型,从组分分布、电流密度分布、重整速率分布、温度分布等多个方面对不同种类燃料的电池模型进行研究分析。主要研究工作和成果如下:(1)甲烷SOFC与氢气SOFC相比,电化学反应速率较低,但是由于重整吸热,电池最大温差更小。由于电流密度与氢气浓度相关,甲烷SOFC中电流密度沿电池长度方向先升高后降低,而氢气SOFC的电流密度沿电池长度方向不断降低。(2)研究不同操作参数下的甲烷内重整SOFC的性能可得,升高温度能通过提高电化学反应速率和重整反应速率提升电池输出性能;提高S/C,电池性能降低,但是能够显著降低积碳活性,应控制S/C≥3;提高燃料入口速度,电池性能提高,但是燃料利用率和甲烷转化率降低;提高预重整度能够提高电化学反应速率,降低重整速率,电池性能得到提升,但是最大温差有所提高。(3)在甲烷内重整SOFC瞬态模型中,由于离子和组分浓度的延迟响应,电压突变和温度突变会使电流密度、摩尔分数与以及重整速率出现不同程度的过调现象,而速度突变对电池动态响应影响较小。渐变时长越长,电极中的离子、气相物质以及热量有足够的时间去调整,电压和温度突变造成的过调现象越弱。(4)甲醇内重整SOFC模拟结果表明:电压小于0.7 V时,氢气摩尔分数和电流密度沿燃料流动方向先升高后降低;MDR反应速率由于甲醇的消耗而沿燃料流动方向不断降低,而WGSR由于电化学反应竞争呈现先升高后降低的趋势;顺流和逆流电池输出性能差异较小,而逆流模式中燃料和空气能够互相冷却,最大温差较小;提高S/C,H和CO相对浓度降低,电化学反应速率下降,但是通过碳活性定性分析,当S/C≥2时,无明显积碳产生;温度、速度对甲醇内重整SOFC的影响与甲烷内重整SOFC一致。