生物质在SO-DCFC中的电化学性能及其衰减规律研究

发布时间：2020-05-01 00:45

【摘要】：固体氧化物直接碳燃料电池(Solid Oxide-Direct Carbon Fuel Cells,SO-DCFCs)作为一种高效的电能转换装置,可以将碳基燃料的化学能直接转化为电能,具有可利用燃料范围广、能量转换效率高、产生的CO_2易捕集等优点。尽管不同特性的碳基燃料(如煤、石墨、炭黑、石油焦等)具备在SO-DCFC中实现转化利用的潜能,但是相比于其它碳基燃料,生物质来源广泛、具有可再生性、低硫低灰含量等突出优势,研究其在SO-DCFC中转化利用具有实际应用意义。现阶段对生物质在SO-DCFC的研究还处于基础理论和实验室研究阶段,存在峰值功率密度较低、放电衰减过快等问题。学者们提出了两个关键研究点:一是生物质燃料特性与其电化学性能的关系;二是生物质热解三态产物的电化学贡献、衰减特性和积碳控制。针对这两点展开了三个方面的研究:首先是生物质的电化学性能,探究生物质电化学与燃料特性的关系;其次是生物质热解气电化学及甲苯转化利用,探究热解气及甲苯的电化学贡献及衰减机理;最后是锡阳极中生物质电化学转化利用,探究锡的作用机理和效果。具体研究内容和结论如下:使用电化学工作站测试两种典型生物质(稻秆、木屑)的电化学性能,发现直接利用生物质原样时能得到较大的峰值功率密度(~0.140 W/cm~2,1123 K),但是放电衰减较快。对生物质烘焙预处理,能缓解放电衰减(衰减速率改善41.2%),但峰值功率密度却没有得到提升;对生物质热解预处理,峰值功率密度在1073和1123 K显著提高10-20%,衰减速率改善75.9%,其阳极反应主要是C-CO_2气化和CO的电化学氧化,增大CO_2浓度会稀释CO浓度并降低电化学性能,且热解焦-CO_2气化反应速率受其灰分含量的影响。热解气热力学平衡显示,在373-1273 K温度范围内CO和H_2从0增到65%和40%,CO_2/CH_4/H_2O则在下降;C含量从50%(373 K)降到0(973 K),甲苯会提高每个温度下的C含量和最终消失温度(约1100 K)。理论开路电压表示,在873 K-1173 K内电池的开路电压在1.22-1.32 V之间。电化学实验表明从1023 K升到1123 K,电池峰值功率密度提高了15.4%;加入甲苯能使1023 K和1073 K下峰值功率密度分别提高3.74%和3.18%,但1123 K下功率密度会减少6.40%,可能是高温下甲苯快速裂解导致积碳严重,这也使放电衰减速率更快。阳极表征后发现积碳主要以石墨态、C-O和O-C=O形式存在,高含量石墨态(75%-95%)使积碳更难被氧化脱除。为了消除积碳的不利影响并提高电池的电化学性能,尝试在阳极中加入锡(Sn),探究锡的作用效果及机理。在热重中测试发现,锡能显著改变生物质的热解特性,热解气组分发生变化(H_2从24%增加到53%,CO/CO_2/CH_4各有不同程度的减少),并且锡对C-CO_2气化反应和CO的电化学氧化有良好的催化作用。电化学测试表明,锡能缓解阳极积碳,在1023 K下能提升电池极化性能(原样、热解焦、热解气和热解气甲苯混合气的功率密度分别增长了47.0%、61.7%、12.5%和20.0%),但在1073 K和1123 K下功率减小(分别下降30.7%、5.89%、53.2%和37.5%),可能是过多SnO_2破坏阳极多孔结构,影响原有较平稳、持久的放电过程,电池的电化学性能大幅衰减。
【图文】：

华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文3) 碳氢化合物在电池中反应会产生积碳，在高温下阳极表面和多孔结构中会富集积碳，其结构容易被破坏，严重影响电池的电化学性能，然而目前尚未有较有效的方法来脱除积碳，或消除积碳的不利影响。1.4 本文主要研究内容针对上述待研究的问题，本文对生物质在 SO-DCFC 中电化学转化利用进行了研究，希望能解决生物质利用中的部分问题，揭示生物质电化学转化过程中的关键问题。本论文的研究技术路线如图 1-2 所示，具体内容如下：

图 2-1 烘焙/热解实验装置同热处理温度下的生物质样品的特性，对生析、元素分析和 BET 孔隙结构测试，，得到采用西班牙 Las Navas 公司的工业分析仪（）、固定碳（FC）、灰分（A）含量。采用德国 Elementar 公司的 Vario Micro cub中的 C、H、N 元素的百分比，再通过差减法计Brunauer-Emmett-Teller）：采用美国麦克仪ASAP2020 型）进行比表面积分析，样品的到。业分析可以看出，稻秆（RS）和木屑（SD5.5 %；它们的固定碳含量十分相似，分别是典型生物质的灰分含量相差很大，木屑几乎
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TK6;TM911.4

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本文编号：2646365