高效稳定直接碳固体氧化物燃料电池性能研究
发布时间：2021-08-12 13:15
直接碳固体氧化物燃料电池（DC-SOFC）是一种能够将储存在碳燃料中的化学能直接转化为电能的发电装置,具有全固态结构、燃料选择性广、安全性高和能量转化率高等优势。但是,由于DC-SOFC电化学反应涉及多电子转移、多组分以及中间产物生成,动力学路径多,导致电池性能随时间增长而衰减,严重限制了DC-SOFC的产业化进程。本文通过开发新型生物质炭燃料、设计新型电池结构、开发高效催化剂等措施,旨在实现DC-SOFC的高效稳定运行。首先,采用相转化-纺丝技术制备得到微管式DC-SOFC,系统研究了该电池采用辣椒秸秆生物质炭燃料时的电化学性能。电化学结果表明,以辣椒秸秆生物质炭为燃料的微管式DC-SOFC在850℃下的最大功率密度为217 m W·cm-2,与其在氢气燃料下的性能(252 m W·cm-2)相当,显示出辣椒秸秆生物质炭在DC-SOFC应用方面的巨大潜力。采用恒电流方式在850℃下对微管式DC-SOFC进行稳定性测试,其中担载碳燃料质量为0.54 g,放电电流为100 m A,结果表明微管式DC-SOFC在0.65V电压下具有较稳定的放电平...
【文章来源】：山东理工大学山东省
【文章页数】：67 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
燃料电池工作原理示意图[8]
山东理工大学硕士学位论文第一章绪论6SOFC最早开始于1899年，WaltherNernst通过研究掺杂对氧化锆的影响，发现5mol%氧化钇掺杂的氧化锆(YSZ)具有良好的氧负离子传导率，并用15YSZ做成灯丝研究制成能斯托灯[15]。在1935年，Schottky将YSZ应用在燃料电池领域，并发现15YSZ在作为燃料电池的电解质方面存在很大的潜力[16]。随后，Baur和Presis在1937年以YSZ作为电解质成功制备了固体陶瓷氧化物燃料电池发电装置[17]。从1900年到现在，SOFC在各种项目的支持下蓬勃发展，SOFC的制备技术、输出性能和电池规模都有了显著的提高，千瓦级别的SOFC堆也相继被报道[18]。1.3.2固体氧化物燃料电池工作原理图1.2是SOFC的工作原理图，其中电解质材料为高温氧离子导体，燃料为氢气。在电池工作时，阴极室中的氧气在多孔阴极的催化作用下得到电子发生还原反应生成O2-，其化学反应式为：O2+4e-=2O2-(1-1)在阴极生成的O2-通过电解质传递到阳极，与阳极室中的还原性气氛氢气发生氧化反应生成水，其反应方程式为：H2+O2-=H2O+2e-(1-2)总反应为：2H2+O2=2H2O(1-3)图1.2SOFC工作原理示意图Fig.1.2SchematicdiagramofSOFC
山东理工大学硕士学位论文第一章绪论71.3.3固体氧化物燃料电池关键材料1.3.3.1电解质材料电解质是SOFC最重要的部件，其主要作用为：(1)隔离阳极室和阴极室的气氛；(2)为离子的传输提供通道。电解质材料的类别直接影响SOFC输出性能和工作温度等[19]，因此良好的电解质材料应该具备以下特点[20,21]：(1)良好的离子电导率（大于0.1S/cm）以确保离子的正常迁移；(2)在高温下具有良好的化学、结构稳定性，保证电化学反应的稳定进行；(3)良好的致密性；(4)较差的电子导电性；(5)良好的化学兼容性；(6)与电极具有良好的热匹配性，有效降低界面电阻，避免发生分层现象；(7)价格低廉，制备工艺简单。目前常用作SOFC电解质材料主要有ZrO2、CeO2和LaGaO3体系[22,23]，其电导率如图1.3所示。图1.3几种不同固体电解质材料的离子电导率[22]Fig.1.3Ionicconductivityofseveraltypicalsolidelectrolytematerials1.3.3.2阳极材料SOFC阳极是电池组成的重要部分，其起到的主要作用为：(1)为燃料的电化学反应提供场所，并快速催化燃料发生电化学反应；(2)快速转移燃料发生电化学反应时产生的电子和气体。良好的阳极材料需要具有以下特点[24]：(1)良好的热稳定性和化学稳定性，保证燃料氧化反应的稳定进行；(2)良好的离子导电率，有效降低极化电阻；(3)良好的电子导电率，保证燃料氧化产生的电子快速的传递；(4)具有良好的热匹配性；(5)具有足够的孔隙率，保证气体的扩散，生成物的排出，有效降低浓差极化；(6)材料生产成本低。目前，最常用的阳极材料为Ni-YSZ复合陶瓷材料，其具有低成本，高电子导电率、高离子导电率、高催化活性和热稳定性好的特点。其中Ni金属起到传输电子，同时催化氢气的氧化反
【参考文献】：
期刊论文
[1]工业废渣的现状和利用前景[J]. 甄国凯,王艳艳,吕焕,李闻智,种晓菲. 中国金属通报. 2018(06)
[2]通过电子导体阴极La0.8Sr0.2MnO3-δ的纳米化制备高性能质子导体固体氧化物燃料电池（英文）[J]. Eman Husni Da’as,毕磊,Samir Boulfrad,Enrico Traversa. Science China Materials. 2018(01)
[3]可用作便携式电源的高性能直接碳固体氧化物燃料电池组（英文）[J]. 王晓强,刘江,谢永敏,蔡位子,张亚鹏,周倩,于方永,刘美林. 物理化学学报. 2017(08)
[4]以活性炭为燃料的固体氧化物燃料电池(英文)[J]. 唐玉宝,刘江. 物理化学学报. 2010(05)
[5]锶尾矿和废渣的污染现状及资源化利用进展[J]. 徐龙君,曲歌,赵庆,李礼. 资源环境与工程. 2008(02)
[6]燃料电池及其应用前景[J]. 马欢,谢建. 可再生能源. 2004(03)
[7]燃料电池的原理、技术状态与展望[J]. 衣宝廉. 电池工业. 2003(01)
硕士论文
[1]平板式电解质支撑的直接碳固体氧化物燃料电池的制备及其应用探究[D]. 丘倩媛.华南理工大学 2019
本文编号：3338385
【文章来源】：山东理工大学山东省
【文章页数】：67 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
燃料电池工作原理示意图[8]
山东理工大学硕士学位论文第一章绪论6SOFC最早开始于1899年，WaltherNernst通过研究掺杂对氧化锆的影响，发现5mol%氧化钇掺杂的氧化锆(YSZ)具有良好的氧负离子传导率，并用15YSZ做成灯丝研究制成能斯托灯[15]。在1935年，Schottky将YSZ应用在燃料电池领域，并发现15YSZ在作为燃料电池的电解质方面存在很大的潜力[16]。随后，Baur和Presis在1937年以YSZ作为电解质成功制备了固体陶瓷氧化物燃料电池发电装置[17]。从1900年到现在，SOFC在各种项目的支持下蓬勃发展，SOFC的制备技术、输出性能和电池规模都有了显著的提高，千瓦级别的SOFC堆也相继被报道[18]。1.3.2固体氧化物燃料电池工作原理图1.2是SOFC的工作原理图，其中电解质材料为高温氧离子导体，燃料为氢气。在电池工作时，阴极室中的氧气在多孔阴极的催化作用下得到电子发生还原反应生成O2-，其化学反应式为：O2+4e-=2O2-(1-1)在阴极生成的O2-通过电解质传递到阳极，与阳极室中的还原性气氛氢气发生氧化反应生成水，其反应方程式为：H2+O2-=H2O+2e-(1-2)总反应为：2H2+O2=2H2O(1-3)图1.2SOFC工作原理示意图Fig.1.2SchematicdiagramofSOFC
山东理工大学硕士学位论文第一章绪论71.3.3固体氧化物燃料电池关键材料1.3.3.1电解质材料电解质是SOFC最重要的部件，其主要作用为：(1)隔离阳极室和阴极室的气氛；(2)为离子的传输提供通道。电解质材料的类别直接影响SOFC输出性能和工作温度等[19]，因此良好的电解质材料应该具备以下特点[20,21]：(1)良好的离子电导率（大于0.1S/cm）以确保离子的正常迁移；(2)在高温下具有良好的化学、结构稳定性，保证电化学反应的稳定进行；(3)良好的致密性；(4)较差的电子导电性；(5)良好的化学兼容性；(6)与电极具有良好的热匹配性，有效降低界面电阻，避免发生分层现象；(7)价格低廉，制备工艺简单。目前常用作SOFC电解质材料主要有ZrO2、CeO2和LaGaO3体系[22,23]，其电导率如图1.3所示。图1.3几种不同固体电解质材料的离子电导率[22]Fig.1.3Ionicconductivityofseveraltypicalsolidelectrolytematerials1.3.3.2阳极材料SOFC阳极是电池组成的重要部分，其起到的主要作用为：(1)为燃料的电化学反应提供场所，并快速催化燃料发生电化学反应；(2)快速转移燃料发生电化学反应时产生的电子和气体。良好的阳极材料需要具有以下特点[24]：(1)良好的热稳定性和化学稳定性，保证燃料氧化反应的稳定进行；(2)良好的离子导电率，有效降低极化电阻；(3)良好的电子导电率，保证燃料氧化产生的电子快速的传递；(4)具有良好的热匹配性；(5)具有足够的孔隙率，保证气体的扩散，生成物的排出，有效降低浓差极化；(6)材料生产成本低。目前，最常用的阳极材料为Ni-YSZ复合陶瓷材料，其具有低成本，高电子导电率、高离子导电率、高催化活性和热稳定性好的特点。其中Ni金属起到传输电子，同时催化氢气的氧化反
【参考文献】：
期刊论文
[1]工业废渣的现状和利用前景[J]. 甄国凯,王艳艳,吕焕,李闻智,种晓菲. 中国金属通报. 2018(06)
[2]通过电子导体阴极La0.8Sr0.2MnO3-δ的纳米化制备高性能质子导体固体氧化物燃料电池（英文）[J]. Eman Husni Da’as,毕磊,Samir Boulfrad,Enrico Traversa. Science China Materials. 2018(01)
[3]可用作便携式电源的高性能直接碳固体氧化物燃料电池组（英文）[J]. 王晓强,刘江,谢永敏,蔡位子,张亚鹏,周倩,于方永,刘美林. 物理化学学报. 2017(08)
[4]以活性炭为燃料的固体氧化物燃料电池(英文)[J]. 唐玉宝,刘江. 物理化学学报. 2010(05)
[5]锶尾矿和废渣的污染现状及资源化利用进展[J]. 徐龙君,曲歌,赵庆,李礼. 资源环境与工程. 2008(02)
[6]燃料电池及其应用前景[J]. 马欢,谢建. 可再生能源. 2004(03)
[7]燃料电池的原理、技术状态与展望[J]. 衣宝廉. 电池工业. 2003(01)
硕士论文
[1]平板式电解质支撑的直接碳固体氧化物燃料电池的制备及其应用探究[D]. 丘倩媛.华南理工大学 2019
本文编号：3338385
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