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SOFCs关键影响因素分析与新型生物质资源化产气技术探讨

摘要：化石燃料的枯竭及其环境问题，催生了以生物质为原料的可再生能源的发展。生物质是可持续、可再生、可满足人类能源需求的最有希望的原料，利用新型生物质资源化技术能高效、宏量制备合成气。固体氧化物燃料电池发电技术作为新的替代能源方向之一，与生物质资源化技术的联合使用有望使生物质最大化利用。讨论了生物合成气供养SOFC的影响因素，然后探讨了新型生物质资源化产气技术，最后讨论了基于新型生物质气化技术的SOFC产业化的机遇及相关的技术挑战。

引言

现今，能源短缺与环境污染问题已成为亟待解决的两大世界性难题。其中，化石能源经过数百年的过度开采和巨大消耗，已不可逆转地走向枯竭，相伴而生的环境恶化问题也极大地威胁生态环境[1]。此外，随着人口激增和现代化与工业化进程的加快，世界各国对能源的需求越来越大，能源紧缺愈演愈烈。生物质作为21世纪最具潜力的绿色能源物质，已经引起了世界各国的广泛重视[2]。

生物质资源丰富、可再生性强且有利于改善环境，但现有生物质的利用率不足10%[3]，因此必须对生物质有机废弃物进行处理，当前主要的处理技术有直接燃烧、生化转换、物化转化3种方式。直接燃烧简单方便，但能量利用率不足10%[4]且污染大气。生化转化技术清洁环保，但是其投资大、产能低，还会产生残留固废，这限制了其进一步发展。新型生物质气化技术不仅生物质能量利用率高而且不产生二次污染物质，产生的固、液、气可以做到多元化利用。相对于上述方法，利用物化转化中的新型热解工艺（微波热解、超临界等）具有产气量大，能源气体含量高，因而具有显著的研究和应用前景。

其中，将气化产生的合成气应用于固体氧化物燃料电池（SolidOxideFuelCells，简称SOFCs），可以将生物气就地高效转变为电能，且效率不受发电规模影响，具有广泛的适应性，能够充分利用散置的生物质。因此，基于生物质合成气的固体氧化物燃料电池具有显著的应用价值。但是，生物质的热解目前尚存在着焦油含量高、存在含硫气体等难题，导致所产生的生物气无法直接应用于固体氧化物燃料电池。与此同时，即使能应用，生物合成气中CO和甲烷会导致SOFC阳极C积累，影响燃料电池的稳定性和寿命；同时生物合成气中H2或CH4浓度低会导致电池发电效率低，这些难题都是限制固体氧化物燃料电池实际工程应用的瓶颈。

因而，通过综述现有生物质合成气供养SOFC的发电现状及影响因素，并基于新型热解工艺催化热解生物质有机废弃物产合成气应用于固体氧化物燃料电池提供理论支持和技术参考。

1生物质合成气供养SOFC存在的影响因素

生物质合成气是有机生物质在部分缺氧且高温的条件下转化得来，其主要包含H2、CO、CH4、部分CO2和低碳烯烃类以及微量的含S气体（表1）。相比于氢气、煤气和天然气等传统燃料，使用生物质合成气的SOFC是最具有潜力实现生物质资源化和产业化的[5]。通常，生物质合成气通入SOFCs前，首先需要将燃料进行重整，包括外重整和内重整。外重整是先将碳氢化合物转化成CO和H2的混合气，然后再通入SOFC。这增大了SOFC发电体系的复杂性，增加成本。内重整是通过在碳氢化合物燃料中加入适量的水蒸气，利用SOFC的高温工作环境实现燃料内部的重整。虽然内重整降低了外重整设备的复杂性，降低了成本，但是混入水蒸气的量难以控制。于是，研究学者们提出了直接碳氢化合物固体氧化物燃料电池（D-HC-SOFCs）的概念[6]，在D-HC-SOFCs的体系中，生物质合成气无需外部重整，而是以鼓泡的形式加湿一下直接使用。这种方法能够提高燃料的利用率，在一定程度上增大了电池的开路电压，同时还降低成本。但是这种方法也存在诸多问题与挑战：①生物质合成气中存在的碳氢化合物分子结构复杂，并且质量和体积都比氢气的大，反应活性很差，并且在高温下受到电极的催化作用极易发生裂解，产生积碳；②生物质合成气带有的少量硫化物容易导致阳极催化材料中毒，致使阳极失活；③生物质合成气混合气中燃料气的组分含量不高，且各组分气体比例不稳定，影响电池发电性能。

1.1阳极积碳

目前SOFC最经典且综合性能表现最好的镍基阳极材料，主要采用Ni基金属陶瓷[7]，金属催化剂上含碳物质的沉积是催化剂是失活的主要原因之一，并且在涉及烃的任何反应中都是不可避免的。在本文中不区分CO歧化碳和焦炭，统称为术语碳。阳极碳沉积的同时也受到燃料中硫和芳香族化合物的强烈影响，硫化物的去活化可以减缓碳沉积[8]，芳香烃的存在明显趋于增加碳沉积量。当金属颗粒上发生碳沉积时，存在5种情况导致阳极失活：①碳层被化学吸附在金属颗粒上；②积碳包裹金属颗粒；③碳纳米丝生长致使金属颗粒离开载体；④积碳阻塞了微孔结构；⑤碳原