Methane steam reforming kinetics over Ni-YSZ anode materials for Solid Oxide Fuel Cells

摘要

Faststof oxid brændselsceller (SOFC) er en teknologi med stort potentiale. Dens høje effektivitet gør den til et relevant alternativ til eksisterende teknologier til at udnytte fossile brændstoffer, og dens fleksibilitet med hensyn til brændstof gør den uvurderlig i overgangen fra et energisystem baseret på fossile brændsler til et baseret på bæredygtige energikilder. Den samlede effektivitet af et SOFC system med naturgas som brændsel kan blive væsentligt forbedret ved at lade en del af reformeringen finde sted inde i SOFC stakken. For at undgå kraftige temperaturgradienter som følge af den stærkt endotherme dampreformerings reaktion, er det nødvendigt, at graden af intern dampreformering bliver nøje kontrolleret. Formålet med denne afhandling er at gøre sådan en kontrol mulig ved at undersøge dampreformeringskinetikken over SOFC anode materialet, Ni-YSZ. Ni-YSZ’s katalytiske damp reformerings aktivitet blev testet både i et ”packed bed” forsøg for at bestemme kinetikken uden massetransport begrænsninger, og i en stak struktur for at bestemme den observerede kinetik under realistiske SOFC betingelser. De kinetiske udtryk fundet for henholdsvis ”packed bed” målingerne og stak målinger kan ses i Ligning 1 og 2. Desuden blev der lavet en simpel model, som præcist kan forudsige dampreformerings reaktionshastigheden i en stak, ud fra udtrykket fundet fra ”packed bed” målingerne. Under forsøgene blev der observeret en langsom dynamisk effekt i katalysatorens opførsel, som ikke tidligere har været rapporteret. Efter opstart var der først en høj aktivitet, som langsomt blev reduceret med en faktor 5-10 over en periode på flere dage eller flere uger, afhængig af temperaturen. Det blev også fundet, at en længere tids kørsel med en H2O/H2 uden CH4 resulterede i en re-aktivering af katalysatorens aktivitet op til det oprindelige høje niveau. Det forsøges at redegøre for denne opførsel ved hjælp af karakterisering med SEM, TEM, XRD og EXAFS.