低浓度煤层气内重整用于SOFC发电应用基础研究

发布时间：2020-03-22 20:43

【摘要】：固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种高效全固态发电装置。与低温燃料电池相比,它具有燃料多样性的优点。SOFC以低浓度煤层气为燃料时,传统镍基阳极由于积碳而导致电池性能降低,甚至衰竭。本文采用聚合物燃烧法制备了NiO/BaO/CeO_2(NBC)催化剂,以正硅酸四乙酯(TEOS)为硅源制备了NBC@SiO_2核壳结构催化剂,研究了两种催化剂对甲烷部分氧化的催化性能及其稳定性;研究了以30 vol%甲烷-70 vol%空气为燃料时,将NBC催化剂和NBC@SiO_2催化剂采用直接喷涂和负载独立催化剂层两种方式引入电池阳极后电池阳极抗积碳性能的提升。采用阳极支撑型电池,以NiO-YSZ为阳极、钇稳定的氧化锆(YSZ)为电解质、Sm_(0.2)Ce_(0.8)O_(1.9)(SDC)为电解质和阴极间的缓冲层、Ba_(0.5)Sr_(0.5)Co_(0.8)Fe_(0.2)O_(3-δ)(BSCF)为阴极(记为Ni-YSZ)。主要内容如下:1.采用固定床装置测试催化剂对甲烷部分氧化催化性能。结果表明,NBC催化剂对甲烷部分氧化反应有较高催化活性和催化稳定性。900℃时CH_4转化率为93%,CO选择性接近100%;750℃时经过80 h稳定性测试,CH_4转化率稳定在80%,CO选择性稳定在95%。NBC@SiO_2催化剂比NBC具有更高的甲烷部分氧化催化活性和催化稳定性。900℃时CH_4转化率和CO选择性都接近100%。750℃时经过200 h稳定性测试,CH_4转化率和CO选择性均稳定在95%。2.将NBC直接喷涂于镍基阳极,用电化学方法研究催化剂修饰阳极的电池应用于低浓煤层气模拟气时电池的性能和放电稳定性。结果表明,将NBC催化剂直接喷涂到SOFC阳极(记为NBC//Ni-YSZ),可以提高SOFC电化学性能及放电稳定性。在800℃和750℃,以低浓煤层气模拟气(30 vol%甲烷-70 vol%空气)为燃料时,NBC//Ni-YSZ最大功率密度(PPD)比空白电池Ni-YSZ(0.6254 W cm~(-2)和0.5428W cm~(-2))分别提高了22.0%和15.1%;800℃恒流放电测试,放电电流为0.16 mA时,空白电池经过16 h电压由0.8 V降为0 V,而NBC//Ni-YSZ经过80 h电压从0.8 V降至0.6 V,降幅为0.0025 V h~(-1)。NBC//Ni-YSZ放电稳定性增加说明电池阳极的抗积碳性能有所提高。SEM-EDS结果显示经80 h放电后催化剂表面有轻微烧结现象,且碳含量有所增加,说明NBC催化剂热稳定性较差,镍基阳极仍有积碳产生。3.采用直接喷涂和负载独立催化剂层两种方式,将核壳结构催化剂引入电池阳极,用电化学方法研究催化剂修饰阳极的电池应用于低浓煤层气模拟气时电池的性能和放电稳定性。直接在电池阳极表面喷涂NBC@SiO_2催化剂(记为P-@NBC//Ni-YSZ)和作为独立催化剂层NBC@SiO_2(记为Y-@NBC//Ni-YSZ),在800℃时电池的PPD比空白电池Ni-YSZ(0.6254 W cm~(-2))分别提高了约26.8%和32.8%。800℃恒流放电测试,放电电流为0.16 mA时,Ni-YSZ经过16 h电压由0.8 V降为0 V;P-@NBC//Ni-YSZ电池在30 h内电压从0.8 V降至0.6 V,降幅为0.0067 V h~(-1);Y-@NBC//Ni-YSZ电池经过180 h电压从0.8 V降至0.7 V,降幅为0.0006 V h~(-1)。Y-@NBC//Ni-YSZ电池稳定的放电性能预示着该电池镍基阳极优异的抗积碳性能。对放电稳定性测试后的P-@NBC//Ni-YSZ电池阳极表面进行扫描电镜分析,结果表明电池阳极表面直接喷涂NBC@SiO_2时,催化剂颗粒会堵塞阳极孔道,这将导致阳极孔隙度下降,造成电池扩散电阻增大,影响电池性能。
【图文】：

图 1.1 燃料电池分类示意图Fig. 1.1 Fuel cell classification diagram1.3 固体氧化物燃料电池简介固体氧化物燃料电池(Solid oxide fuel cell, SOFC)是一种不需经过燃烧过程，即可直接发生电化学反应把储存在燃料中的化学能转化为电能的发电装置，近年来受到许多科研人员的重点关注和研究[9-14]。SOFC 是全固态结构电池，通常包括疏

图 1.2 固体氧化物燃料电池工作原理图 (a)质子型 (b)氧离子型Fig. 1.2 Working principle of solid oxide fuel cell (a) proton type (b) oxygen ion type对于质子型 SOFC，H+来源于电池阳极的燃料。H+通过电解质到达阴极后与阴极区 O2发生反应生成水，e-在外电路中流动形成闭合回路，最终回到电池阴极区域。电池典型反应为：阳极： H2→2 H++ 2 e-(1.1)阴极： 4 H++ O2+ 4 e-→ 2 H2O (1.2)总反应： 2 H2+ O2→ 2 H2O (1.3)对于氧离子型 SOFC，，O2-来源于空气里的 O2。O2-通过电解质到达阳极与阳极区 H2反应生成水，e-在外电路中流动形成闭合回路，最终回到电池阴极区域。电池典型反应为：阴极： O2+ 4 e-→ 2 O2-(1.4)阳极： H2+ O2-→H2O + 2 e-(1.5)总反应： 2 H+ O→2 HO (1.6)
【学位授予单位】：山西大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O643.36;TM911.4

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本文编号：2595595