دانلود رایگان ترجمه مقاله ترکیبات هیدروکربن-هوا با سلول های سوختی اکسید جامد تک-محفظه ای (IOP سال 2000)

مبتدی (مناسب برای درک مفهوم کلی مطلب)

F1864

شکل 3، خواص تخلیه SCFCs (شکل 1a) را با استفاده از الکترولیت های LSGM ، SDC ، و YSZ در ترکیب سیال متان و هوا در 7008C نشان می دهد. این سلول ها با استفاده از الکترولیت های LSGM و YSZ، نیروهای الکتریکی (نیروی محرکه الکتریکی) 920 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 2 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 2 و 3، بیش از 733 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 0.1 هرتز تا 100 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 ، 1.72 و 2.90 V ، بود و مقاومت الکترود-واکنش برای الکترولیت هایLSGM ، SDC ، و YSZ 0.26 ، 0.53 و 1.22 V بود. چگالی توان پیک حاصل برای سلول با استفاده از الکترولیت LSGM تا 355 میلی وات cm22 رسید که با اوج چگالی توان 385 میلی وات cm22 برای SOFC هیدروژن هوای معمولی، سرمت نیکل Ce0.9Gd0.1O1.95 | LSGM با ضخامت 0.2 میلی متر | La0.6Sr0.4Fe0.8Co0.2O3 ، در 7008C گزارش شده توسط Huijsmans و همکاران قابل مقایسه بود. بر این اساس ، ما به این نتیجه رسیدیم که الکترولیت LSGM برایSCFC، مناسب است.
شکل 4، خواص تخلیه SCFC (شکل 1a) در ترکیب سیال متان و هوا بین 550 و 900 درجه را نشان می دهد . دو وابستگی غیر منتظره به درجه حرارت عملیاتی وجود دارد؛ افت ناگهانی از نیروی محرکه الکتریکی به 228 میلی ولت در 550 درجه و کاهش قابل توجهی در چگالی توان اوج در 900 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 550 و 9508C اندازه گیری شد. نتایج در شکل 5 خلاصه شده است. در محدوده 600 تا 800 درجه، مقدار نسبتا زیادی از هیدروژن و مونوکسید کربن در الکترود نیکل ( SDC ) (شکل 5A ) تولید شد ، در حالی که مقدار زیادی اکسیژن در الکترود Sm0.5Sr0.5CoO3 (شکل. 5B) واکنش نداده باقی ماند؛ بنابراین،نیروی محرکه الکتریکی و در نتیجه چگالی توان همانطور که در شکل 4 نشان داده شده است، رفتار می کنند. با این حال در درجه حرارت عملیاتی 550 درجه، الکترود نیکل (SDC) به طور ناگهانی نسبت به واکنش 1-3 (شکل 5A ) 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 550 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 900 درجه، الکترود Sm0.5Sr0.5CoO3 به تدریج نسبت به این واکنش (شکل 5B ) فعال می شود که در نتیجه باعث افت واکنش 6 می شود. در مقاله قبلی،SCFC با استفاده از کاتد LSM عملکرد خوبی را حتی در 950 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، 24 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 1a) در ترکیبات جاری از سایر سوخت و هوا در 5508C مورد بررسی قرار گرفت . شکل 6 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 1000 میلی ولت برای اتان 972 میلی ولت برای پروپان، 931 میلی ولت برای LPG ، و 710 میلی ولت برای اتانول، و در نتیجه چگالی اوج توان 163 میلی وات cm22 برای اتان، 125 میلی وات cm22 برای پروپان، 94 مگاوات رسید cm22 برای LPG ، و 42 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 0.91 و 1.10 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 1a) با استفاده از الکترولیت LSGM با ضخامت های مختلف در ترکیب سیال اتان و هوا در 550 درجه در شکل 7 ارائه شده است.. نیروی محرکه الکتریکی سلول های باقی مانده در مقادیر تقریبا ثابت ، 1010 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 163-270 میلی وات cm22 با کاهش ضخامت الکترولیت 0.50-0.18 میلی متر افزایش یافت.
شکل 8 خواص تخلیه همان SCFC را همانند شکل 7 در یک ترکیب روان از اتان و هوا بین 350 و 700درجه نشان می دهد. همه این سلول ها حداکثر چگالی اوج توان را در 600 نشان دادند، که پایین تر از مقدار مشاهده شده با استفاده از متان توسط 200 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 450 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، 3 و فیلم های ceria2 ساخته شون. به عنوان مثال، اوج چگالی توان حدود 300 میلی وات cm22 را می توان با استفاده از الکترولیت به ضخامت 10 میلی متر به دست آورد، با فرض اینکه که نیروی محرکه الکتریکی در 955 میلی ولت حفظ شود.
ترکیب گازهای خروجی از محفظه های کاری نیکل (SDC) و Sm0.5Sr0.5CoO3 (شکل B1) در شکل 9خلاصه شده است. فعالیت کاتالیزوری الکترود Sm0.5Sr0.5CoO3 به طور ناگهانی در بالای 700 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 8 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 4، می توان پیش بینی کرد که یک سلول با استفاده از اتان به عنوان سوخت زیر 350 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.