以生物质为燃料的固体氧化物燃料电池研究
发布时间：2021-07-04 18:28
固体氧化物燃料电池（solid oxide fuel cell,SOFC）是一种以固体氧化物为电解质,通过电化学反应直接将燃料的化学能清洁、高效地转换为电能的全固态发电装置。SOFC的突出特点是燃料适应性广,不仅可利用氢气、天然气、甲醇、汽油等气体、液体燃料,还可利用煤、生物质等固体含碳燃料。生物质具有可再生,碳中性,来源广,成本低的特点。传统的生物质利用方式是作为柴薪直接燃烧,能量转换效率低,污染物排放高。本文研究将生物质直接用作SOFC的燃料、实现绿色发电的可行性,旨在为生物质资源的高效、清洁利用探索一条新途径。本文选取果木枝和中密度纤维板（medium density fiberboard,MDF）两种生物质为研究对象。在系统表征果木枝、MDF及其热解炭的理化性质的基础上,重点研究了它们直接用作SOFC燃料的电化学性能和燃料利用率。研究发现,果木枝燃料在850℃的电池最大功率密度（peak power density,PPD）为157 mW cm-2,燃料利用率为36.2%,表明果木枝可直接通过SOFC实现原位高效发电。果木枝担载钢渣催化剂后,在850℃的P...
【文章来源】：山西大学山西省
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
固体氧化物燃料电池工作原理图[66]
第一章绪论7图1.2Nakagawa制备的分离式DC-SOFCs结构和工作原理图[58]Fig.1.2StructureandworkingprinciplediagramofDetachedDC-SOFCsfabricatedbyNakagawa[58]Gür等[59]人设计了一种流化床式的DC-SOFCs，如图1.3所示。该电池以Ni-YSZ为阳极、YSZ为电解质、LSM-LSC为阴极。流化床的设计方式扩大了固体碳燃料与阳极的接触面积，实现了燃料的持续供应。CO2为阳极载气时，碳燃料先和CO2发生Boudouard气化反应生成CO，CO扩散至TPB处与电解质传导的O2-反应生成CO2并释放电子。电池的阳极反应如下：COCOC22（1-4）OeCOCO222（1-5）王课题组[54]认为电池刚工作时，与阳极直接接触的碳燃料先和YSZ传递来的O2-发生电化学反应产生CO2并释放电子，然后CO2扩散至未直接接触阳极的碳燃料表面发生Boudouard反应生成CO，生成的CO扩散至TPB处与O2-发生电化学氧化反应生成CO2和电子，循环反应。阳极反应机理如下：O42eCOC22（1-6）COCOC22（1-4）OeCOCO222（1-5）
以生物质为燃料的固体氧化物燃料电池研究8图1.3Gür设计的流化床式燃料电池示意图[59]Fig.1.3SchematicdiagramofafluidizedbedfuelcelldesignedbyGür[59]关于DC-SOFCs的阳极反应机理有很多种解释，但普遍认为阳极反应机理与碳燃料和阳极接触方式有关[60-62]。大量的研究表明，碳燃料的Boudouard气化反应和CO的电化学氧化是DC-SOFCs重要反应。Boudouard气化反应解决了DC-SOFCs固体碳燃料的传质问题，因此，改善固体碳燃料的Boudouard气化反应性来提高电池性能是一种重要途径。根据Gibbs自由能计算，在高温（≥1000K）下对Boudouard气化反应是有利的，使用催化剂可以降低初始反应温度并大大加快反应速率。1.3.2DC-SOFCs的固体碳燃料刘等[63]将麦秸、玉米芯、甘蔗渣在700℃厌氧环境下热解后，剩余富含碳的麦秸焦、玉米芯焦及蔗渣焦作为燃料，用于以YSZ为电解质、Ag-钆掺杂的氧化铈（GDC）为阴阳极的电解质支撑型电池。800℃下测得峰值功率密度分别为187mwcm-2、204mwcm-2、260mwcm-2。特别地，担载了5％（质量分数）Fe基催化剂的玉米芯焦，功率输出从204mwcm-2提高至270mWcm-2。Dudek等[64]人测试了600-850℃范围内，以核桃壳炭为燃料的DC-SOFCs电化学性能。结果表明，在850℃时，450℃炭化的核桃壳在CO2气氛中的输出功率约为119mWcm-2，在N2的输出功率约为90mWcm-2。焦等[65]以煤焦为燃料，研究了钢渣催化剂对Boudouard反应的催化能力。结果表明，酸活化后的钢渣，降低了Boudouard反
【参考文献】：
期刊论文
[1]我国脲醛树脂制备技术研究概述[J]. 孙燕,徐伟涛,毛安,庞艳芳,李琪. 林产工业. 2020(01)
[2]阻燃材料的应用优势与其环境危害评估[J]. 魏刚. 山东化工. 2019(21)
[3]木质素及其模型化合物热解研究进展[J]. 王海英,韩洪晶,宋华,孙恩浩,张亚男,陈彦广,赵宏志,李金鑫,康越. 化工进展. 2019(07)
[4]玉米秸秆生物质炭基肥的结构与性质表征[J]. 刘长涛,侯建伟,索全义,史李萍. 土壤. 2019(03)
[5]果树修剪枝条的处理及堆肥效果[J]. 唐小勇. 吉林农业. 2019(12)
[6]杨树新型结构板材（OSB）高附加值产品开发应用研究[J]. 徐有明,刘俊楠,陈理哲,蔡维金,范春涛,彭俊平,袁功志. 木材加工机械. 2019(01)
[7]氢能开发与利用中的关键问题[J]. 曹湘洪. 石油炼制与化工. 2017(09)
[8]钢渣催化剂提升直接碳燃料电池性能研究[J]. 付艺丽,薛晓婷,焦勇,安文汀,邵宗平,李思殿. 山西大学学报(自然科学版). 2017(04)
[9]制备生物炭的结构特征及炭化机理的XRD光谱分析[J]. 郑庆福,王志民,陈保国,刘贵峰,赵吉. 光谱学与光谱分析. 2016(10)
[10]生物质成型燃料的热重分析及动力学研究[J]. 蒋绍坚,黄靓云,彭好义,唐富强,姚昆. 新能源进展. 2015(02)
博士论文
[1]固体氧化物直接碳燃料电池阳极反应机理及电化学性能研究[D]. 徐凯.华中科技大学 2017
[2]直接碳固体氧化物燃料电池的反应机理及其催化剂应用探讨[D]. 蔡位子.华南理工大学 2016
[3]无胶人造板制造工艺的研究[D]. 金春德.东北林业大学 2002
硕士论文
[1]生物质炭燃料固体氧化物燃料电池研究[D]. 孙晓洁.山西大学 2018
[2]醇钠法合成磷酸三丁酯、磷酸二异辛酯及磷酸三异辛酯的研究[D]. 申冰洁.河北工业大学 2017
[3]生物改性木质纤维素的热重分析和热解动力学研究[D]. 刘芳.华中科技大学 2015
本文编号：3265308
【文章来源】：山西大学山西省
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
固体氧化物燃料电池工作原理图[66]
第一章绪论7图1.2Nakagawa制备的分离式DC-SOFCs结构和工作原理图[58]Fig.1.2StructureandworkingprinciplediagramofDetachedDC-SOFCsfabricatedbyNakagawa[58]Gür等[59]人设计了一种流化床式的DC-SOFCs，如图1.3所示。该电池以Ni-YSZ为阳极、YSZ为电解质、LSM-LSC为阴极。流化床的设计方式扩大了固体碳燃料与阳极的接触面积，实现了燃料的持续供应。CO2为阳极载气时，碳燃料先和CO2发生Boudouard气化反应生成CO，CO扩散至TPB处与电解质传导的O2-反应生成CO2并释放电子。电池的阳极反应如下：COCOC22（1-4）OeCOCO222（1-5）王课题组[54]认为电池刚工作时，与阳极直接接触的碳燃料先和YSZ传递来的O2-发生电化学反应产生CO2并释放电子，然后CO2扩散至未直接接触阳极的碳燃料表面发生Boudouard反应生成CO，生成的CO扩散至TPB处与O2-发生电化学氧化反应生成CO2和电子，循环反应。阳极反应机理如下：O42eCOC22（1-6）COCOC22（1-4）OeCOCO222（1-5）
以生物质为燃料的固体氧化物燃料电池研究8图1.3Gür设计的流化床式燃料电池示意图[59]Fig.1.3SchematicdiagramofafluidizedbedfuelcelldesignedbyGür[59]关于DC-SOFCs的阳极反应机理有很多种解释，但普遍认为阳极反应机理与碳燃料和阳极接触方式有关[60-62]。大量的研究表明，碳燃料的Boudouard气化反应和CO的电化学氧化是DC-SOFCs重要反应。Boudouard气化反应解决了DC-SOFCs固体碳燃料的传质问题，因此，改善固体碳燃料的Boudouard气化反应性来提高电池性能是一种重要途径。根据Gibbs自由能计算，在高温（≥1000K）下对Boudouard气化反应是有利的，使用催化剂可以降低初始反应温度并大大加快反应速率。1.3.2DC-SOFCs的固体碳燃料刘等[63]将麦秸、玉米芯、甘蔗渣在700℃厌氧环境下热解后，剩余富含碳的麦秸焦、玉米芯焦及蔗渣焦作为燃料，用于以YSZ为电解质、Ag-钆掺杂的氧化铈（GDC）为阴阳极的电解质支撑型电池。800℃下测得峰值功率密度分别为187mwcm-2、204mwcm-2、260mwcm-2。特别地，担载了5％（质量分数）Fe基催化剂的玉米芯焦，功率输出从204mwcm-2提高至270mWcm-2。Dudek等[64]人测试了600-850℃范围内，以核桃壳炭为燃料的DC-SOFCs电化学性能。结果表明，在850℃时，450℃炭化的核桃壳在CO2气氛中的输出功率约为119mWcm-2，在N2的输出功率约为90mWcm-2。焦等[65]以煤焦为燃料，研究了钢渣催化剂对Boudouard反应的催化能力。结果表明，酸活化后的钢渣，降低了Boudouard反
【参考文献】：
期刊论文
[1]我国脲醛树脂制备技术研究概述[J]. 孙燕,徐伟涛,毛安,庞艳芳,李琪. 林产工业. 2020(01)
[2]阻燃材料的应用优势与其环境危害评估[J]. 魏刚. 山东化工. 2019(21)
[3]木质素及其模型化合物热解研究进展[J]. 王海英,韩洪晶,宋华,孙恩浩,张亚男,陈彦广,赵宏志,李金鑫,康越. 化工进展. 2019(07)
[4]玉米秸秆生物质炭基肥的结构与性质表征[J]. 刘长涛,侯建伟,索全义,史李萍. 土壤. 2019(03)
[5]果树修剪枝条的处理及堆肥效果[J]. 唐小勇. 吉林农业. 2019(12)
[6]杨树新型结构板材（OSB）高附加值产品开发应用研究[J]. 徐有明,刘俊楠,陈理哲,蔡维金,范春涛,彭俊平,袁功志. 木材加工机械. 2019(01)
[7]氢能开发与利用中的关键问题[J]. 曹湘洪. 石油炼制与化工. 2017(09)
[8]钢渣催化剂提升直接碳燃料电池性能研究[J]. 付艺丽,薛晓婷,焦勇,安文汀,邵宗平,李思殿. 山西大学学报(自然科学版). 2017(04)
[9]制备生物炭的结构特征及炭化机理的XRD光谱分析[J]. 郑庆福,王志民,陈保国,刘贵峰,赵吉. 光谱学与光谱分析. 2016(10)
[10]生物质成型燃料的热重分析及动力学研究[J]. 蒋绍坚,黄靓云,彭好义,唐富强,姚昆. 新能源进展. 2015(02)
博士论文
[1]固体氧化物直接碳燃料电池阳极反应机理及电化学性能研究[D]. 徐凯.华中科技大学 2017
[2]直接碳固体氧化物燃料电池的反应机理及其催化剂应用探讨[D]. 蔡位子.华南理工大学 2016
[3]无胶人造板制造工艺的研究[D]. 金春德.东北林业大学 2002
硕士论文
[1]生物质炭燃料固体氧化物燃料电池研究[D]. 孙晓洁.山西大学 2018
[2]醇钠法合成磷酸三丁酯、磷酸二异辛酯及磷酸三异辛酯的研究[D]. 申冰洁.河北工业大学 2017
[3]生物改性木质纤维素的热重分析和热解动力学研究[D]. 刘芳.华中科技大学 2015
本文编号：3265308
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