微通道电极支撑的固体氧化物电池性能研究

发布时间：2020-04-15 06:04

【摘要】：固体氧化物电池(SOC)包括固体氧化物燃料电池(SOFC)和固体氧化物电解电池(SOEC)。其中,SOFC直接将储存在燃料气中的化学能高效、环境友好的直接转化为电能,可以极大地缓解传统能源消耗迅速且环境污染严重等问题;而固体氧化物电解电池(SOEC)可以利用太阳能、风能等可再生能源发电电解二氧化碳等温室气体,将其转化为化学能,进行能源储存,实现了可再生能源的储存和利用。镍基支撑电极的固体氧化物电池是最常见的。对于SOFC,甲烷是最常见的碳氢燃料气,是天然气的主要成分,它具有储量丰富、易于储存、价格低廉等优势,将CH_4作为燃料是未来发展的一种趋势。除此之外,如今化石能源的燃烧,产生了大量的二氧化碳排放,造成海平面上升等严重温室问题,因此发展CO_2的利用技术,从而减少CO_2的排放已成为当今研究热点。然而,在Ni的催化作用下,无论是甲烷,还是二氧化碳,都存在积碳问题,这严重限制了电池的性能,因此,研究固体氧化物电池燃料电极的抗积碳性能显得尤为重要。通过浸渍法加载催化剂是一种最常见的方式,因其操作方便等优点而广受欢迎。然而,传统电极结构由于其弯曲且连续性不太好的孔道无法满足快速均匀地加载催化剂;而且甲烷和二氧化碳属于大分子气体,对气体扩散有着较高的要求。故而孔结构成为本论文的研究重点。本文通过微通道结构对固体氧化物电池性能进行改良,研究微通道对固体氧化物电池性能的影响。首先,微通道阳极支撑SOFC对CH_4利用率的研究。以甲烷为燃料的固体氧化物燃料电池有望实现高能量转换效率。该研究采用具有新型微通道结构的阳极支撑,其提供快速气体扩散途径。为了证实这些优点,还采用具有半通道且没有通道的阳极进行比较。微通道结构减少或消除了阳极载体内的浓度极化,并利用阳极内表面上的催化剂涂层改善了电池极化电阻,导致高且稳定的甲烷转化。甲烷转化效率定义为用于与报告结果进行比较的每摩尔甲烷的功率输出,并且微通道SOFC产生最高记录的甲烷发电效率。其次,微通道阴极支撑SOEC对CO_2电解性能的研究。浸渍方法是改善固体氧化物电池的多孔电极性能的有效方式,而催化剂的制备程序和催化剂稳定性仍然具有挑战性。阴极的微通道结构使得能够通过渗透过程将催化剂实施到固体氧化物电解电池的Ni基阴极载体中以加速CO_2电解。与通过浸渍常规硝酸盐前体制备的催化剂涂层相比,通过渗透CeO_2胶体前体制备的催化涂层已经证明了更有效的催化剂制备并且有更稳定的CO_2电解性能。由于稳定的催化剂微观结构,渗透过程的优化使得在电池操作期间334小时的CO_2电解性能的稳定性。此外,本文研究微通道对甲烷碳氢燃料气辅助电解二氧化碳电池的影响。甲烷辅助电解二氧化碳大大减少了电耗。故而,在燃料气辅助电解二氧化碳的模式下,给它一个较低的电压便可高效地还原二氧化碳。除此之外,还原二氧化碳产生的氧离子通过电解质到达电池阳极和甲烷等碳氢燃料气反应,生成一氧化碳和氢气合成气。通过微通道加载催化剂实现了电池在该模式下稳定运行,且产生了大量合成气,氢气和一氧化碳的选择性都比较高。
【图文】：

固体氧化物,电池,二氧化碳,氢气

以及军事、航天航空等领域有着广泛的应用前景。SOFCs具有非常明显的优势：发电效率高，在废热利用，热、电联供的情况下压体系下，发电效率达到 90%以上[6]；低排放、低噪音；对燃料的适应用天然气、石油裂解气、煤制气、生物质气和其它碳氢化合物燃料气结构，，避免了使用液态电解质所带来的腐蚀和电解液流失等问题；积木产和安装地点灵活等优点。SOECs 是 SOFCs 的反运行，电解二氧化具有更高的能量转换效率，需要较少的电能，更多的能源以热能的形直接利用太阳热能和工业尾气余热等。该模式最大优势在于 CO2电解源（如太阳能和风能）来完成，实现可再生能源的连续存储。固体氧化物电池的工作原理化物电池装置主要有三部分组成：多孔阳极、致密电解质以及多孔阴如图 1.1 所示。

海绵状,孔结构,扫描电镜图,相转化法

微通道电极支撑的固体氧化电池性能研究是受到一定程度的限制。而蜂窝状的孔结构制备的，有着较快的气体扩散速度以及催化模生产和运输；我们课题组通过相转化法制絮凝剂和溶剂相互对流形成统一笔直的微通载效率，而且在共烧之后的机械强度足以满
【学位授予单位】：济南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM911.4

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