氨燃料SOFC发电系统分析

在可再生能源的利用方面，可直接将化学能转化为电能的燃料电池备受关注。氢是许多燃料电池的优秀燃料，然而，就储存性和运输性而言，氢在技术上和经济上都存在需要克服的问题。于是，研究人员提出将氨作为氢载体^（1）。氨即使在室温下也可以在约9个大气压下液化，因此便于储存和运输。此外，已确立Haber-Bosch法大规模制造氨，氨可在世界范围内大量生产和应用。

本研究以固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell: SOFC）为对象。SOFC的工作温度为600℃～1000℃，是各种燃料电池中最高的。Ni-YSZ多孔材料常被用作燃料电极，其中所含的镍在SOFC的工作温度范围内充当甲烷蒸汽重整反应和氨分解反应的催化剂。因此，可以直接向SOFC供给甲烷和氨，以在燃料电极处生成氢气，并使用该氢气发电。此外，由于甲烷蒸汽重整反应和氨分解反应是吸热反应，因此可以有效利用发电产生的各种热量。

甲烷蒸汽重整反应的优点是吸热量大，可以更有效地利用SOFC产生的热量，但另一方面，重整需要同时供给水蒸气。氨在分解过程中吸收的热量比甲烷少，但反应不需要水蒸气。本研究设想将这两者的优点相结合的系统。即，将两个SOFC串联，在前段直接供给氨气以发电。由于废气中含有电化学反应产生的水蒸气，因此将甲烷混合在废气中，并经过水蒸气重整后，供给到后段的SOFC以发电。为阐明串联式SOFC系统优势和存在的课题，本报告构建了5kW级串联式SOFC系统的基本模型并对其基本特性进行了分析。

本研究的对象系统如图1所示。氨燃料的SOFC为前段，甲烷燃料的SOFC为后段，前后SOFC电堆的规格相同，燃料极为Ni-YSZ多孔材料，电解质为YSZ，空气极为LSCF多孔材料。在研究的第一阶段，不直接在SOFC燃料极进行氨分解或甲烷重整，而是在SOFC电堆上游安装氨分解器和重整器。可能含有氨和一氧化碳的未燃烧燃料在补燃燃烧器中燃烧。此外，还安装了热交换器来预热供给空气。在本计算中，对各元件采用零维建模。通过计算电化学反应和SOFC内部损失的放热、伴随化学反应吸放热、气体的余热和SOFC输出等获得系统整体效率。

2.1 计算中的假设

假设系统处于稳定状态，各元件采用零维建模。分解器温度、重整器温度和SOFC入口温度作为计算条件保持不变。供给到前段SOFC的燃料为氨，温度为T_fuel=298K，气体成分为100%的NH₃。供给空气的温度为T_air=298K，氧的摩尔分数为X_O2=0.21，氮的摩尔分数为X_N2=0.79。此外，甲烷在前段SOFC下游和重整器上游处与燃料流混合。其流量S/C在考虑前段SOFC废气中的水蒸气流量的基础上决定，温度为T_CH4=298K。

在氨分解器中，假设在设定的分解器温度下反应平衡，以确定各化学物质的组成。在甲烷重整器中，发生蒸汽重整反应和气体变换反应。对于重整反应，根据设定的重整器温度来确定重整率；对于气体变换反应，假设反应平衡，以确定重整器出口处各化学物质的组成。根据这些假设，在本次计算条件下，供应至两个SOFC的燃料流中几乎没有氨和甲烷残留。因此，认为SOFC的燃料极上只进行氢的电化学反应。

忽略各元件的压力损失，总压力在大气压下保持恒定。从外部加热气体，使气体温度在各元件的入口处达到所需的温度。此外，在效率评估中考虑外部加热量。但是，当加热量为负值，即系统向外部散热时，则在效率评估中不考虑加热量。SOFC中产生的热量主要由气流带走，但应考虑到其中一部分会从电堆表面泄漏到外部。假设前后段SOFC的电流密度相同。

2.2 SOFC模型

假设电堆串联了100个电极面积为0.01m²的单电池。各SOFC的燃料利用率定义为SOFC消耗的氢气量与供给燃料通过分解反应或重整反应完全转化为氢气时的氢气量之比。

在前段SOFC中，通过确定电流密度和利用率来确定要供应的氨流量，并在该条件下计算废气成分和输出。在后段SOFC中，根据来自上段SOFC的废气中所含的水蒸气量来确定甲烷供给量，并通过确定电流密度来计算废气成分和输出。

由于气体温度因SOFC产生的热量而升高，因此SOFC的入口处和出口处的气体温度不同。采用两个温度的平均值代表SOFC温度，并进行了以下过电压计算。

电动势E利用燃料极和空气极的分压以及SOFC的温度，通过以下能斯特方程获得。

端子电压V_t由下式求出。

其中η_con、η_act、η_ohm分别是浓度过电压、活化过电压和欧姆损耗。

2.2.1 浓度过电压

浓度过电压由下式求出。

此处，通过在电极中沿厚度方向应用一维菲克（Fick）定律获得反应区域中各化学物质的分压。假设燃料极处反应物和生成物为等摩尔相互扩散，空气极处为氧气的单向扩散，可得到以下方程^（2）。

其中L为电极厚度。此外，D^eff为有效扩散系数，对应多孔质电极材料的值^（3）。

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