清华大学/东京大学合作成果:利用燃料电池内部重整实现基于甲烷的气电共生

学术   2024-11-11 10:15   四川  
▲第一作者:吕泽伟,刘耀东
通讯作者:吕泽伟,Naoki Shikazono,韩敏芳
通讯单位:东京大学,清华大学,日本国立材料研究所,徐州华清京昆能源有限公司
论文DOI:10.1002/aenm.202403869(点击文末「阅读原文」,直达链接)


  


背景介绍
为了应对全球碳中和的目标,固体氧化物燃料电池(SOFC)因其兼具高效的能量转换和储存能力而备受关注。直接内部重整SOFC(DIR-SOFC)作为一种运行方式,能够在燃料电池内部直接重整甲烷,实现电力和合成气的协同生产。这种技术的优势在于利用碳基燃料时,能够大幅减少碳排放,并生产出在交通、化工和冶金等行业中广泛应用的化学原料。然而,DIR-SOFC的推广仍面临诸多挑战,包括性能较低、积碳导致的快速衰减以及工业化应用的可行性等。现有研究对DIR-SOFC的电化学和热化学过程的理解仍然不足,特别是在优化电池设计或调整运行条件方面缺乏明确的指导。此外,积碳和其他杂质(如硫和氯化物)对电极结构的影响机制尚未完全阐明。



  


本文亮点
本研究旨在深入分析DIR-SOFC的电化学特性、多尺度的碳沉积行为以及工业规模验证,以推动其实际应用。研究通过多种燃料成分下的电化学分析、3D微结构重构等技术,定量揭示了积碳对阳极微观结构影响,并在工业规模的电池中验证了电力与合成气协同生成的可行性。本文亮点包括以下三个方面:
1. 电化学特性分析:本文深入研究了DIR-SOFC在CH4-H2O燃料下的极化和阻抗特性,结合数值模拟探索了其电化学、热化学耦合转化机制,为未来的性能预测和优化设计提供了基础。
2.积碳对阳极微结构的影响:创新性地应用机器学习辅助的FIB-SEM三维重构技术,定量揭示了碳沉积对多孔阳极微观结构的影响,为构建多尺度预测模型和优化阳极结构提供了新视角。
3.工业规模应用的可行性验证:通过工业级电池的实验验证,本文展示了DIR-SOFC在协同发电与化学品生产中的可行性,特别是在能效与运行稳定性方面的表现,进一步推动了DIR-SOFC从实验室走向实际应用。


  


图文解析

结合实验与仿真研究了不同甲烷和水蒸气分压对电池极化曲线和阻抗特征的影响。相比H₂-H₂O燃料,CH₄-H₂O燃料表现出更低的极化损失,以及额外的低频阻抗响应,表明在阳极内发生了甲烷重整和水气变换等热化学转化,有助于更多H₂的生成,从而增强了电池的电化学性能。在不同水碳比(S/C)条件下的稳定性测试显示,适当调节S/C比可抑制碳沉积,从而提高电池的运行稳定性。


通过对不同S/C下运行的电池横截面进行离子束抛光和SEM观察,发现阳极内部不同深度和厚度的黑色条纹。低电压SEM和EDS分析证实了此条纹是由局部严重的积碳导致的,可以作为识别阳极中最易沉积碳的区域的标记。通过多物理场模拟,研究成功再现了不同条件下阳极内积碳速率的分布,模拟结果与实验发现一致。


创新性地应用机器学习辅助的FIB-SEM三维重构技术,定量揭示了积碳对多孔阳极微观结构的影响。分别详细阐述了积碳对孔隙相、Ni相和YSZ相微观结构的影响。例如,由于积碳具有电子导电性,发现积碳后阳极的电子传导连通性增加、迂曲度下降。



使用工业级电池(10×10 cm²)验证了利用DIR-SOFC实现气电共生的可行性。随着电流增加,由于电化学反应消耗,阳极尾气中H₂和CO浓度逐渐降低。在30 A的电流下,CH₄转化率能够达到74.7%。通过调节电流能够灵活地调整输出电能和化学能的分配比例。在350小时的耐久性测试中,电池在10 A电流下表现出可接受的稳定性。I-V和EIS测量揭示,初期快速性能衰减主要由于欧姆电阻和高频极化电阻的增长,这是由于Ni在高温高湿度条件下的不稳定性导致的,也是下一步亟待解决的问题。



  


作者介绍
吕泽伟,分别于2017年和2022年获得清华大学学士和博士学位,现为日本东京大学博士后,入选日本学术振兴会(JSPS)外籍特别研究员项目。主要研究方向是固体氧化物燃料电池(SOFC)、电解(SOEC)及相关的电化学和热物理问题。已在Adv. Energy Mater.、J. Energy Chem.、Appl. Energy等学术期刊发表论文30余篇,参编燃料电池相关国家能源行业标准3项,在国内外学术会议作邀请或口头报告十余次。目前作为Co-PI承担JSPS资助项目,曾参与国家重点研发计划、基金委国际合作研究项目等。研究成果曾获中国发明协会发明创业奖创新奖一等奖(完成人2/6)等科技奖励。


Naoki Shikazono is a professor in Institute of Industrial Science, The University of Tokyo, Japan. Naoki Shikazono received his Ph.D. degree in mechanical engineering from the University of Tokyo in 1994. After joining Hitachi, Ltd. in 1994, he has developed heat exchangers and fans for air conditioners and received Award for Technical Achievements from the Heat Transfer Society of Japan in 1999. He has more than 70 patent applications in the field of air conditioning technology. From 2002, he joined the University of Tokyo as an associate professor, and started researches on solid oxide fuel cells. Since 2010, he is a full professor at the Institute of Industrial Science, the University of Tokyo. He is serving in various Committees including the SOFC Society of Japan, the Japan Society of Mechanical Engineers (JSME), Japan Society of Refrigerating and Air Conditioning Engineers (JSRAE), Heat Transfer Society of Japan (HTSJ), etc.

韩敏芳,清华大学能源与动力工程系教授、燃料电池与储能研究中心主任,教育部“长江学者”特聘教授,九三学社北京市委副主委。二十余年来一直致力于SOFC/SOEC技术研究,先后承担了国家863项目、973项目、基金委重点项目、国家重点研发计划等科研项目。通过产学研合作模式开展SOFC核心技术的产业化和示范工作,在苏州、徐州、东莞等地建立了产业化基地,在上海、晋城、攀枝花等地进行了整体系统示范运行。致力于建立国内燃料电池技术产业交流平台,发起成立了中国能源研究会燃料电池专委会、能源行业高温燃料电池标委会、中关村氢能与燃料电池技术创新产业联盟。已发表论文200余篇,出版学术论著5部,申请相关专利100余项;担任《Frontiers in Energy》、《JMST》、《JCST》、《硅酸盐学报》等学术期刊编委;相关科技成果获省部级、全国学会/协会科研奖励一等奖5次、二等奖3次。曾获北京市“三八”红旗奖章、科技北京百名领军人才、江苏省双创领军人才、教育部新世纪人才、孙越崎青年科技奖等个人奖励。

  


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