在合成气固体氧化物燃料电池中混合氨气以改善碳沉积性能：性能研究、电化学阻抗谱分析及稳定性测试

《International Journal of Hydrogen Energy》：Blending ammonia in a syngas solid oxide fuel cell for carbon deposition improvement: Performance, electrochemical impedance spectra, and stability measurements

本研究探究氨气掺杂对合成气燃料电池碳沉积的影响，通过对比不同燃料在650-750°C下的性能表现，发现氨气优先占据Ni催化剂的酸位点，抑制碳沉积，延长电池寿命，且效果随温度升高而增强。

　　

李萍英|沈强（Steven）Shy

国立中央大学机械工程系，桃园市，320317，台湾

摘要

本文研究了在合成气燃料支持的固体氧化物燃料电池（SOFC）中掺入氨气如何改善碳沉积现象。实验使用了三种不同的阳极燃料：（1）200 sccm的H₂（基线情况），（2）200 sccm的合成气（35%H₂+65%CO），（3）100 sccm的合成气+50 sccm的NH₃，阴极气体流量均为200 sccm。在650、700、750°C的温度下，相应的功率密度（PD）分别为PD(1) > PD(2) > PD(3)；而在700、750°C时，PD(1) > PD(3) > PD(2)，这表明在较高温度下氨的分解速率更快。同时测量并比较了电化学阻抗谱。研究发现，在第二种情况下（使用200 sccm的H₂作为阳极燃料），碳沉积现象严重，导致PD(2)在稳定运行2.5小时（650°C）和70小时（750°C）后急剧下降。而在第三种情况下（使用100 sccm的合成气+50 sccm的NH₃作为阳极燃料），PD(3)在整个120小时的稳定性测试过程中基本保持不变，这表明氨可以优先占据Ni催化剂的酸性位点，从而避免焦炭的形成。

引言

鉴于地球能源和环境问题日益严峻，全球气候变化不断推动高效、净零碳排放发电技术的发展。固体氧化物燃料电池（SOFC）技术因其极高的燃料灵活性、非常高的效率以及相对较低的催化剂材料成本而备受关注（大量实验、数值模拟和建模研究均证明了这一点，参见最近的综述文章[1,2]及其中的参考文献）。燃料灵活性的优势使得各种燃料（如合成气、氢气、氨气和多种碳氢化合物）可以直接用于SOFC。本研究重点关注使用合成气作为燃料的SOFC，因为合成气可以通过清洁煤技术（例如参考文献[3]、[4]、[5]等）大规模生产。然而，使用合成气作为SOFC燃料的主要挑战是碳沉积问题，这会显著降低电池性能并缩短其使用寿命（例如参考文献[6]、[7]等）。因此，有效解决或改善碳沉积问题对于SOFC的长期耐用性至关重要，而这仍是一个未解决的问题。本研究旨在探讨一个关键问题：在不同温度（T）下，掺入氨气如何影响合成气燃料SOFC的碳沉积现象？研究基于120小时的稳定性测试以及扫描电子显微镜（SEM）、能量色散X射线光谱（EDX）和X射线衍射（XRD）的测量结果。

已知碳的形成源于C–H–O系统内的复杂异相反应（例如碳氢化合物或合成气燃料）。主要反应路径包括Boudouard反应：