基于甲烷的中空对称双阴极固体氧化物燃料电池的发电性能研究
发布时间：2021-03-08 04:02
固体氧化物燃料电池（SOFC）系统的主要优势之一是其出色的燃料灵活性,尤其是无需使用昂贵的外部重整工艺即可直接利用天然气,沼气或其他碳氢化合物燃料的潜力。直接内部重整（DIR）SOFC将甲烷直接进料并在阳极重整以产生用于发电的氢气,例如甲烷的蒸汽和CO2重整,具有更高的整体系统效率。然而,最具挑战的是在烃类重整过程中会发生大量的副反应,如:（i）CH4的裂解反应,（ii）CO歧化和（iii）逆水气变换反应,使Ni基活性阳极因碳沉积失活,阻碍重整反应的进行。本研究以具有对称双面阴极（DSC）的大扁管SOFC的新型电池作为研究对象,采用更具现实意义的甲烷（天然气,沼气）作为燃料气,研究不同运行工况（进料组分,温度,电流密度等）对电池性能的影响及其长期稳定运行中的衰减规律和衰减机理,特别是对阳极积碳现象的影响及积碳引起的电池衰减机理。论文主要的工作及结论如下:（1）以氢气为燃料气时,电池在750oC,放电电压为0.8V时,获得0.56W/cm2的优异的电化学性能,相应的燃料利用率为57.5%。如所预期的,...
【文章来源】：江西理工大学江西省
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
“常规”热转换和燃料电池能量转换过程示意图
第一章绪论2污染排放最少的清洁能源技术。因此，开发使用甲烷或甲烷基燃料的SOFC引起了极大的关注[11-13]。1.2燃料电池简介燃料电池（FC）是一种电化学装置，可将存储在气态或液态燃料（例如氢气，甲烷，甲醇，乙醇等）中的化学能（吉布斯自由能）直接转换为恒定的电能（直流电）温度（图1.1）[14]。这种类型的能量转换过程不同于经典的热机械能量转换过程，并且不受卡诺原理的限制，具有更高的能源效率，并且同时具有更低的CO2，VOC和NOX排放[7]。这使得燃料电池技术既经济又非常环保。因此，已被广泛开发用于热电联产（CHP）系统、移动电源系统、便携式计算机和军事通信设备等多种能源应用[14]。图1.1“常规”热转换和燃料电池能量转换过程示意图存在6种不同类型燃料电池类型：质子交换膜燃料电池（PEMFC或PEFC）、磷酸燃料电池（PAFC）、直接甲醇燃料电池（DMFC）、碱性燃料电池（AFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）和固体氧化物燃料电池（SOFC）[15,16]。根据电解质的性质（酸性或碱性）和操作温度对它们进行如下排列，如图1.2所示：图1.2燃料电池的种类
第一章绪论5图1.3固体氧化物燃料电池工作原理图1.3.3SOFC理论电动势与性能以氢氧燃料电池为例，SOFC在本质上是一个氧浓度差电池，氢气作为燃料通入阳极侧，氧气作为氧化剂进入阴极侧，阴极和阳极侧的氧分压不同而造成浓差电势[26]。燃料电池的开路电压可由Nernst公式计算得到：22212HOHOPPRTEE+In()2FP其中：E*为理想状态下的理论电动势，也称能斯特电动势，在标准状况下为1.23V；R为气体摩尔常数，8.314J/(Kmol)；F为法拉第常数，9.6485.3C/mol；工作状态下，燃料电池的所有操作部件（阴极/阳极/电解质）的相关的能量损耗分为三种：活化损耗（AL），浓度极化（CP）和欧姆损耗（OL），如图1.4a所示。其中由电阻引起的欧姆损耗存在于所有燃料电池组件中，而活化损耗则是因为电极/电解质界面处的催化反应能垒引起的。在SOFC阴极和阳极中，由于气态反应物和/或产物通过SOFC电极的传输速率有限，存在压力梯度则导致了浓度极化。图1.4（a）图解说明SOFC中相关组件的能量损耗；(b)理想和实际燃料电池电流-电压特性和极化损耗
本文编号：3070376
【文章来源】：江西理工大学江西省
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
“常规”热转换和燃料电池能量转换过程示意图
第一章绪论2污染排放最少的清洁能源技术。因此，开发使用甲烷或甲烷基燃料的SOFC引起了极大的关注[11-13]。1.2燃料电池简介燃料电池（FC）是一种电化学装置，可将存储在气态或液态燃料（例如氢气，甲烷，甲醇，乙醇等）中的化学能（吉布斯自由能）直接转换为恒定的电能（直流电）温度（图1.1）[14]。这种类型的能量转换过程不同于经典的热机械能量转换过程，并且不受卡诺原理的限制，具有更高的能源效率，并且同时具有更低的CO2，VOC和NOX排放[7]。这使得燃料电池技术既经济又非常环保。因此，已被广泛开发用于热电联产（CHP）系统、移动电源系统、便携式计算机和军事通信设备等多种能源应用[14]。图1.1“常规”热转换和燃料电池能量转换过程示意图存在6种不同类型燃料电池类型：质子交换膜燃料电池（PEMFC或PEFC）、磷酸燃料电池（PAFC）、直接甲醇燃料电池（DMFC）、碱性燃料电池（AFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）和固体氧化物燃料电池（SOFC）[15,16]。根据电解质的性质（酸性或碱性）和操作温度对它们进行如下排列，如图1.2所示：图1.2燃料电池的种类
第一章绪论5图1.3固体氧化物燃料电池工作原理图1.3.3SOFC理论电动势与性能以氢氧燃料电池为例，SOFC在本质上是一个氧浓度差电池，氢气作为燃料通入阳极侧，氧气作为氧化剂进入阴极侧，阴极和阳极侧的氧分压不同而造成浓差电势[26]。燃料电池的开路电压可由Nernst公式计算得到：22212HOHOPPRTEE+In()2FP其中：E*为理想状态下的理论电动势，也称能斯特电动势，在标准状况下为1.23V；R为气体摩尔常数，8.314J/(Kmol)；F为法拉第常数，9.6485.3C/mol；工作状态下，燃料电池的所有操作部件（阴极/阳极/电解质）的相关的能量损耗分为三种：活化损耗（AL），浓度极化（CP）和欧姆损耗（OL），如图1.4a所示。其中由电阻引起的欧姆损耗存在于所有燃料电池组件中，而活化损耗则是因为电极/电解质界面处的催化反应能垒引起的。在SOFC阴极和阳极中，由于气态反应物和/或产物通过SOFC电极的传输速率有限，存在压力梯度则导致了浓度极化。图1.4（a）图解说明SOFC中相关组件的能量损耗；(b)理想和实际燃料电池电流-电压特性和极化损耗
本文编号：3070376
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