瓦斯成分對燃料電池性能的影響研究

邊秀玲

（山西焦煤西山煤電發電事業部屯蘭瓦斯電廠，山西 太原 030200）

0 引言

瓦斯的利用能夠進一步減少溫室氣體的排放，這對生態環境的保護有著重要的作用[1]。瓦斯主要以燃料電池的形式被利用，其中含有大量的氮氣（N2）以及少量的甲烷（CH4）、氧氣（O2），還存在有微量的水（H2O）、硫化氫（H2S）和高級烷烴等。這也導致固體氧化物燃料電池（SOFC）陽極內的反應相對更為復雜[2]。目前我國在該方面的研究相對較少，加強低濃度瓦斯成分應用以提高燃料電池性能也成為當前產業綠色化發展的必然措施。

1 實驗系統及測試方式

1.1 實驗系統的搭建

為了進一步驗證瓦斯成分對燃料電池性能的影響，本次研究需要提前搭建一套實驗系統，以此模擬不同成分含量下瓦斯作為燃料時的電池性能情況。在系統的搭建過程中，主要包含有以下幾方面：

1）配氣系統。該系統的主要目的是為實驗提供不同成分的低濃度瓦斯。

2）加熱系統及電池夾具。SOFC 在600～1 000 ℃條件下才能發電。該系統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）電化學性能測試系統。該系統的主要作用是測定不同組分瓦斯作為燃料情況下SOFC 的放電極化曲線。

4）燃料氣體成分測試系統。該系統的主要目的是為了檢測配備氣體內部各成分含量是否準確。

5）溫度測量系統。該系統主要目的是為了測定電池樣機的溫度，確保實驗能夠在準確的溫度下進行。

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

1.2 實驗測試方案

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

2）將固結完成的電池置于管式爐爐膛中間，進而確保溫度的準確性和可靠性。

3）打開進氣、出氣管路，將氮氣通入系統當中，檢查整個系統的氣密性。

4）在測試系統當中通入40 sccm 氫氣，注意通入測試系統的氫氣需要首先通過水浴加濕器。水浴加濕器溫度調至30 ℃，經過加濕器后的氫氣內部含水量為3%。

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

6）利用電化學性能測試系統測試SOFC 此時的放電極化曲線。

7）利用混合氣體代替氫氣通入測試系統當中，混合氣體是由40 sccm 的N2以及5 sccm 的CH4所構成的，混合氣體當中所含有的CH4體積分數為11.1%?；旌蠚怏w在進入測試氣體之前也需要通入水浴加濕器，之后氣體內部含水量為3%。為了確保氣體完全轉換完成，需要在混合氣體通入3 h 后開始測試SOFC此時的放電極化曲線。

8）依次在測試系統當中通入不同CH4和O2濃度的低濃度瓦斯模擬氣，測試方式與步驟（7）一致。測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險。

表1 實驗各組所用低濃度瓦斯成分含量

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

2 實驗結果分析研究

2.1 低濃度瓦斯中氧氣濃度/ 甲烷濃度（Rmix）對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電流密度與電壓的關系

由圖1 可知，在低濃度瓦斯作為燃料時，Rmix越小，電池的活化極化現象越嚴重，而隨著Rmix不斷增大，活化極化現象會逐漸減弱，但濃差極化現象會逐步加強。圖1 所測得的放電極化曲線是在爐溫800 ℃時進行的，在此種條件下，Rmix為0.25、0.5、0.8、1、1.1時會產生較為明顯的濃差極化。出現此種情況的原因主要是由于當低濃度瓦斯當中CH4含量減少，O2含量提升時，SOFC 陽極表面所產生的積碳也會減少，進而導致活化極化現象變弱。與此同時，此種條件下陽極內所產生的H2和CO 也會相對減少，進而難以滿足SOFC 陽極所發生電化學反應的需求，導致陽極濃差極化現象變強。除此之外，將H2作為SOFC 燃料時，活化極化和濃差極化現象均不明顯，但將低濃度瓦斯作為SOFC 燃料時，出現的濃差極化和活化極化在一定程度上對SOFC 的性能產生了不良的影響，因此選取合理的Rmix，降低兩種極化現象是提高SOFC性能的關鍵所在。

2.2 不同Rmix 下SOFC 的長期穩定性分析

經過實驗研究，SOFC 的長期穩定性情況如圖2所示。

由圖2 可知，在溫度700 ℃時，Rmix為0、0.8、1 時放電電壓基本處于平穩狀態。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 對低濃度瓦斯內部氧氣與甲烷濃度的變化有著較強的適應性，這也進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SOFC 性能的影響

由于瓦斯當中所含有的H2S 量較小，因此本次在試驗當中用于檢測H2S 對SOFC 性能的影響時將H2S濃度控制為10×10-6。如圖3 所示，當低濃度瓦斯中含有10×10-6H2S 時，同樣電流密度下電壓和功率密度明顯減小，由此可見瓦斯當中H2S 含量會對SOFC的性能產生不利的影響。

2.4 低濃度瓦斯中高級烷烴對SOFC 電池性能的影響

在瓦斯當中可以發現，其中也含有乙烷等高級烷烴。此種類型的烷烴相比較甲烷在高溫下更容易發生裂解反應，因此在實際的應用過程中也會導致電池陽極出現更為嚴重的積碳，久而久之會對電池性能產生不良的影響。在本次實驗分析當中，主要以低濃度丙烷作為高級烷烴，以此來判斷低濃度瓦斯中將高級烷烴作為燃料時對SOFC 電池性能的影響。在試驗當中主要取用的燃料氣體成為G、H 組實驗氣體。

在整個試驗當中，當燃料中不含O2時放電極化曲線出現較大的波動，此時表明放電并不穩定。當燃料中加入O2時，放電極化曲線變化平緩，這也表明此種條件下放電穩定，功率密度更高。

3 結論

1）為驗證瓦斯成分對燃料電池性能的影響，本次實驗首先根據測驗要求搭建了相應的試驗平臺，并在安全的前提下制定了實驗方案，確定了實驗步驟.

2）根據實驗結果研究發現，低濃度瓦斯中Rmix變化范圍在0～1.1 時，SOFC 具有良好的電化學性能，并且也具備長期放電穩定性。但隨著低濃度瓦斯中Rmix增大，濃差極化現象更為顯著，活化極化現象逐漸變弱。兩種極化現象均會對SOFC 產生不利的影響，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，需要加強對Rmix的控制。

3）低濃度瓦斯中H2S 會對SOFC 性能產生不利影響，因此在將瓦斯作為電池燃料時需要去除其中的H2S。

4）由于瓦斯當中含有微量高級烷烴，而高級烷烴在作為燃料燃燒時加入O2時放電穩定性較好，因此低濃度瓦斯當中含有的高級烷烴能夠進一步提高SOFC 性能，但會導致陽極積碳嚴重，因此將低濃度瓦斯作為燃料的SOFC 需要進行去積炭處理。