دانلود رایگان ترجمه مقاله ترکیبات هیدروکربن-هوا با سلول های سوختی اکسید جامد تک-محفظه ای (IOP سال ۲۰۰۰)

مبتدی (مناسب برای درک مفهوم کلی مطلب)

F1864

شکل ۳، خواص تخلیه SCFCs (شکل ۱a) را با استفاده از الکترولیت های LSGM ، SDC ، و YSZ در ترکیب سیال متان و هوا در ۷۰۰۸C نشان می دهد. این سلول ها با استفاده از الکترولیت های LSGM و YSZ، نیروهای الکتریکی (نیروی محرکه الکتریکی) ۹۲۰ ولت را تولید نمودند که در آن پتانسیل الکترود نیکل (SDC) به ازای الکترود Sm0.5Sr0.5CoO3 منفی بود.
این مقدار نیروی محرکه الکتریکی تقریبا در توافق با اختلاف پتانسیل بین دو الکترود نشان داده شده در شکل ۲ بود. با این حال، نیروی محرکه الکتریکی سلول با استفاده از الکترولیت SDC ، احتمالا به علت کاهش Ce41 به Ce31 توسط هیدروژن و مونوکسید کربن تشکیل شده توسط واکنش های ۲ و ۳، بیش از ۷۳۳ میلی ولت نبود. اگر چه جریان می توانست به طور قابل توجهی از سه سلول کشیده شود، افت ولتاژ در طول تخلیه سلول با استفاده از الکترولیت LSGM، حداقل بود. طیف امپدانس آنها در محدوده ۰٫۱ هرتز تا ۱۰۰ کیلو هرتز در شرایط مدار باز بیشتر این مسئله را روشن می ساخت. مقاومت اهمی سلول ها با استفاده از الکترولیت هایLSGM ، SDC ، و YSZ 1.56 ، ۱٫۷۲ و ۲٫۹۰ V ، بود و مقاومت الکترود-واکنش برای الکترولیت هایLSGM ، SDC ، و YSZ 0.26 ، ۰٫۵۳ و ۱٫۲۲ V بود. چگالی توان پیک حاصل برای سلول با استفاده از الکترولیت LSGM تا ۳۵۵ میلی وات cm22 رسید که با اوج چگالی توان ۳۸۵ میلی وات cm22 برای SOFC هیدروژن هوای معمولی، سرمت نیکل Ce0.9Gd0.1O1.95 | LSGM با ضخامت ۰٫۲ میلی متر | La0.6Sr0.4Fe0.8Co0.2O3 ، در ۷۰۰۸C گزارش شده توسط Huijsmans و همکاران قابل مقایسه بود. بر این اساس ، ما به این نتیجه رسیدیم که الکترولیت LSGM برایSCFC، مناسب است.
شکل ۴، خواص تخلیه SCFC (شکل ۱a) در ترکیب سیال متان و هوا بین ۵۵۰ و ۹۰۰ درجه را نشان می دهد . دو وابستگی غیر منتظره به درجه حرارت عملیاتی وجود دارد؛ افت ناگهانی از نیروی محرکه الکتریکی به ۲۲۸ میلی ولت در ۵۵۰ درجه و کاهش قابل توجهی در چگالی توان اوج در ۹۰۰ درجه . به منظور درک این رفتار ،ترکیب گاز خروجی از نیکل ( SDC ) و یا محفظه کاری Sm0.5Sr0.5CoO3 در سلول دو محفظه ای (شکل B1) در ولتاژ مدار باز بین ۵۵۰ و ۹۵۰۸C اندازه گیری شد. نتایج در شکل ۵ خلاصه شده است. در محدوده ۶۰۰ تا ۸۰۰ درجه، مقدار نسبتا زیادی از هیدروژن و مونوکسید کربن در الکترود نیکل ( SDC ) (شکل ۵A ) تولید شد ، در حالی که مقدار زیادی اکسیژن در الکترود Sm0.5Sr0.5CoO3 (شکل. ۵B) واکنش نداده باقی ماند؛ بنابراین،نیروی محرکه الکتریکی و در نتیجه چگالی توان همانطور که در شکل ۴ نشان داده شده است، رفتار می کنند. با این حال در درجه حرارت عملیاتی ۵۵۰ درجه، الکترود نیکل (SDC) به طور ناگهانی نسبت به واکنش ۱-۳ (شکل ۵A ) بی اثر می شود که نشان می دهد که این الکترود دیگر به عنوان آند عمل نمی کند. این ناشی از واکنش پذیری بسیار کم متان است، به خصوص در دماهای پایین. بنابراین برای بهره برداری از SCFC زیر ۵۵۰ درجه، استفاده از هیدروکربن واکنش پذیر تر و یا الکل به جای متان به عنوان سوخت ضروری است. از سوی دیگر، در دماهای کاری بالای ۹۰۰ درجه، الکترود Sm0.5Sr0.5CoO3 به تدریج نسبت به این واکنش (شکل ۵B ) فعال می شود که در نتیجه باعث افت واکنش ۶ می شود. در مقاله قبلی،SCFC با استفاده از کاتد LSM عملکرد خوبی را حتی در ۹۵۰ به نمایش گذاشت. به خوبی مشخص شده است که فعالیت کاتالیستی اکسیدهای perovskite بر اساس منگنز برای اکسیداسیون هیدروکربن ها، پایین تر از اکسیدهای perovskite بر اساس Co است، ۲۴ که در نتیجه امکان ساخت الکترود LSM به عنوان کاتد در چنین درجه حرارت عملیاتی میسر می سازد.
عملکرد سلول در ترکیبات جاری از سایر سوخت ها و هوا – خواص تخلیه از SCFC (شکل ۱a) در ترکیبات جاری از سایر سوخت و هوا در ۵۵۰۸C مورد بررسی قرار گرفت . شکل ۶ نتایج با استفاده از اتان، پروپان، LPG ، و اتانول به عنوان سوخت را نشان می دهد . نیروی محرکه الکتریکی از سلول به طور قابل توجهی به ۱۰۰۰ میلی ولت برای اتان ۹۷۲ میلی ولت برای پروپان، ۹۳۱ میلی ولت برای LPG ، و ۷۱۰ میلی ولت برای اتانول، و در نتیجه چگالی اوج توان ۱۶۳ میلی وات cm22 برای اتان، ۱۲۵ میلی وات cm22 برای پروپان، ۹۴ مگاوات رسید cm22 برای LPG ، و ۴۲ میلی وات cm22 برای اتانول افزایش یافته است. طیف امپدانس سلول ها با استفاده از اتان و پروپان نشان دهنده مقاومت های واکنش-الکترود نسبتا کمی به اندازه ۰٫۹۱ و ۱٫۱۰ V بود. این نشان می دهد که عملکرد سلول می تواند بیشتر با استفاده از یک فیلم LSGM حتی نازک تر بهبود یابد.
مدارک و شواهد برای این پیشنهاد توسط خواص تخلیه از SCFC (شکل ۱a) با استفاده از الکترولیت LSGM با ضخامت های مختلف در ترکیب سیال اتان و هوا در ۵۵۰ درجه در شکل ۷ ارائه شده است.. نیروی محرکه الکتریکی سلول های باقی مانده در مقادیر تقریبا ثابت ، ۱۰۱۰ میلی ولت برای هر ضخامت الکترولیت تست شده است، اما افت ولتاژ در طول تخلیه سلول به شدت وابسته به ضخامت الکترولیت بود. در نتیجه، اوج چگالی توان ۱۶۳-۲۷۰ میلی وات cm22 با کاهش ضخامت الکترولیت ۰٫۵۰-۰٫۱۸ میلی متر افزایش یافت.
شکل ۸ خواص تخلیه همان SCFC را همانند شکل ۷ در یک ترکیب روان از اتان و هوا بین ۳۵۰ و ۷۰۰درجه نشان می دهد. همه این سلول ها حداکثر چگالی اوج توان را در ۶۰۰ نشان دادند، که پایین تر از مقدار مشاهده شده با استفاده از متان توسط ۲۰۰ درجه بود. این مورد بعداً با جزئیات مورد بحث قرار می گیر. مهمتر از این، افزایش چگالی اوج توان با کاهش ضخامت الکترولیت حتی در دمای پایین به اندازه ۴۵۰ درجه بود که نشان می دهد که SCFC کنونی ممکن است به عنوان یک ژنراتور برق عملی و کارآمد در چنین شرایطی استفاده شود، به شرطی که چند فیلم LSGM با ضخامت میکرومتر بتوانند به شیوه ای مشابه با YSZ1، ۳ و فیلم های ceria2 ساخته شون. به عنوان مثال، اوج چگالی توان حدود ۳۰۰ میلی وات cm22 را می توان با استفاده از الکترولیت به ضخامت ۱۰ میلی متر به دست آورد، با فرض اینکه که نیروی محرکه الکتریکی در ۹۵۵ میلی ولت حفظ شود.
ترکیب گازهای خروجی از محفظه های کاری نیکل (SDC) و Sm0.5Sr0.5CoO3 (شکل B1) در شکل ۹خلاصه شده است. فعالیت کاتالیزوری الکترود Sm0.5Sr0.5CoO3 به طور ناگهانی در بالای ۷۰۰ درجه افزایش یافت، که در آن اکسیژن تقریبا به طور کامل توسط واکنش با اتان مصرف شد. بنابراین، کاهش نیروی محرکه الکتریکی و افزایش در پتانسیل بیش از حد کاتدیک به طور همزمان در چنین شرایطی رخ می دهند که در نتیجه کاهش قابل توجهی در دانسیته توان نشان داده شده در شکل ۸ حاصل می شود. از سوی دیگر، فعالیت کاتالیزوری الکترود نیکل (SDC) به تدریج با کاهش درجه حرارت، کمتر شد. از رفتار سلول با استفاده از متان به عنوان سوخت نشان داده شده در شکل ۴، می توان پیش بینی کرد که یک سلول با استفاده از اتان به عنوان سوخت زیر ۳۵۰ درجه قادر به تولید یک نیروی محرکه الکتریکی بزرگ خواهد بود. با این حال، همچنین می توان انتظار داشت که پروپان و LPG به دلیل واکنش پذیری بالاتر نسبت به اتان و متان، سوخت های ارجح در چنین شرایطی خواهند بود.