基于碳氢燃料固体氧化物燃料电池积碳过程的动力学机理研究

The solid oxide fuel cells (SOFC) have emerged as advanced power generation technology with great promise in achieving high energy/power efficiency with reduced environmental loads. It plays the significant role to achieve the goals of national energy strategies and roadmap.The SOFC performances are degraded as the carbon deposition occurs due to the crack reactions of carbon compound gases under the environment of high temperature and metal catalysis.For serious situration, carbon deposition can lead to the whole stack failing of SOFC. This project aims to establish the kinetic implications of carbon deposition mechanisms by investigating the micro-processes of carbon formation and carbon transportation in the operation of SOFC. The model for kinetic mechanisms of carbon deposition will be developed particularly for natural gas and syngas based SOFC application. The effect of SOFC operation conditions (e.g. temperature, pressure and gases fraction) and catalytic metal Ni properties (e.g. particle size, carbon solubility and carbon activity) are intensively studied by modeling and experiment methods on the carbon formation and carbon transportation, respectively. The project investigates the potential approaches for the control of carbon deoposition, as well as studies and analyzes the effect of carbon deposition on the SOFC performances. This project will deliver synthetic solutions for carbon deposition of SOFC with theories, prediction models and control methods.

基于碳氢燃料固体氧化物燃料电池（SOFC）先进发电技术对于国家实施节能减排战略具有重要意义。碳化合物气体在高温条件下发生裂解反应产生的积碳问题会影响SOFC工作性能，严重情况下会造成SOFC堆的报废。本项目从碳析出和碳传输两个微观过程来研究并揭示SOFC工作过程中积碳问题发生和发展的动力学机理，建立分别以天然气和煤化气为燃料的SOFC积碳过程发生和发展的动力学模型，并就SOFC工作参数（温度、压力、气体组分）对于碳析出的影响和阳极催化材料镍的特性（尺度、碳溶解度、碳势）对于碳传输的影响分别进行模型和实验研究。基于理解碳析出和碳传输动力学机理基础上，研究并提出控制或抑制SOFC积碳问题发生和发展的有效方法和途径，分析和预测积碳发生和发展过程中SOFC发电性能的变化规律。本项目将最终形成用于解决SOFC积碳问题的理论支撑、预测模型和控制方法。

发展基于碳氢燃料SOFC先进发电技术对于节能减排具有重要意义，而碳氢燃料积碳问题是影响SOFC商业化应用主要问题之一。本项目建立了基于ReaxFF-MD碳氢燃料积碳过程的反应性分子动力学模拟方法，采用反应分子动力学模拟方法揭示了甲烷裂解反应和一氧化碳歧化反应的碳原子析出过程机理和碳原子在镍表面形成碳链并沉积的过程机理以及碳原子在镍内部传输的过程机理。建立了基于化学反应动力学的多步化学反应（包括CH4裂解反应和CO歧化反应）SOFC积碳速率预测模型方程，开展了SOFC阳极结构中积碳反应分步式反应机理分析，研究了积碳反应中CH4和CO分解、碳沉积以及迁移等分步化学反应的微观过程机理。设计并搭建了SOFC积碳实验台，完成了碳氢燃料多组分反应气体条件下积碳实验测试和误差分析与验证，实验研究了温度和气体组分对于SOFC阳极积碳速率的影响特征。基于积碳实验数据，结合积碳化学反应动力学机理分析，获得了SOFC阳极积碳反应速率方程的经验公式，开展了不同温度和气体组分条件下SOFC阳极积碳反应速率经验公式预测值与实验值的对比分析。完成了SOFC热电-积碳数值模型的构建，实现了SOFC多物理场（温度场、电场、组分场、压力场和热应力场等）和碳分布的三维特性数值分析，对板式顺流和逆流情况下SOFC实际运行过程中碳分布特性进行了数值研究，建立了板式SOFC内部抑制积碳形成和发展的运行参数控制策略。.项目成果发表国际期刊SCI学术论文6篇，国际会议论文1篇，国内会议论文2篇，审稿中的国际期刊SCI学术论文3篇。在项目支持下，已培养毕业的博士生1人，硕士生3人，在读博士生2人。