碳基燃料气体组成和运行温度对固体氧化物燃料电池开路电压的影响

陈志远^1,2，王丽君^1,3，赵海雷²，李福燊²，周国治^1,3

1. 北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室2. 北京科技大学材料科学与工程学院3. 北京科技大学钢铁协同创新中心

摘 要：以最小Gibbs自由能法计算固体氧化物燃料电池在不同组成碳基燃料气体组成下的理论积碳量,在此基础上讨论电池的理论开路电压（OCV）,并测试在CO₂重整甲烷下Ni-YSZ‖YSZ‖LSM阳极支撑固体氧化物燃料电池的OCV.计算表明,理论积碳量从C-H-O相图的C角往积碳界线处以均匀速率减小.当积碳全部发生电化学氧化时,建议提高燃料气的碳氢比以获得较高OCV;反之则建议减小碳氢比.当燃气组分接近位于C-H-O相图中OCV界线（OCV=0 V）时,OCV会发生急剧下降.同样地,实验表明,当燃气中CO₂体积分数高于80%,会使得OCV大幅下降.综上可知,燃料气组分控制在积碳界线附近将有利于减少积碳并保证一定的电池发电性能.600℃时,在积碳界线的非积碳区侧,提高燃气中氢含量可提高OCV.而采用相同含量的CO₂稀释时,CH₄、H2和CO燃气下电池的OCV则依次降低.另外,实验表明升高外重整比例和降低温度,并不能显著提高OCV.

关键词：固体氧化物燃料电池;热力学;甲烷;开路电压;积碳;