直接碳固体氧化物燃料电池

论文摘要

直接以碳为燃料的直接碳燃料电池（Direct Carbon Fuel Cell,DCFC）,理论转化效率高达100%以上,可使用经过简单加工处理的煤为燃料,为高效、清洁地使用煤提供了一种新途径。其中以固体氧化物为电解质的直接碳固体氧化物燃料电池（Direct Carbon Solid Oxide Fuel Cell,DC-SOFC）采用全固态结构,避免了使用液态电解质带来的腐蚀泄露问题,碳燃料潜在的电能达到9Ah/g,因此DC-SOFC可能成为一种高储能密度电池,具有可观的发展前景。目前,DC-SOFC的研究还处在实验室基础研究阶段。本论文采用注浆成型工艺制备了YSZ电解质管,在1600oC下烧结4h后,机械强度高,微观结构致密,达到了制备电池的要求。本论文设计了一种结构简单,容易制作,采用全固态结构的管式YSZ电解质支撑的DC-SOFC装置。采用纯石墨为燃料研究了电池的输出性能,结果表明设计的DC-SOFC具有可行性,但电池衰减严重。通过热力学平衡计算了过量的碳和氧气反应在各个温度下达到平衡时产物的成分,在温度>750oC时产物主要是CO气体,温度<750oC时产物主要是CO2气体,结合实验结果和理论计算分析了DC-SOFC的反应机理,阳极上CO的电化学氧化反应和碳燃料的Boudouard反应是其关键反应。本论文改变碳燃料,使用活性炭为燃料进行了电池输出性能、阻抗性能和稳定性的研究。结果表明电池的界面极化电阻在电池总耗损中占主导,没有使用任何流化气体电池稳定运行了37h,比石墨燃料稳定,证明了电池可以自维持工作。指出电池的性能和燃料自身的性质有关,阳极上CO的电化学氧化反应和碳燃料的Boudouard反应两反应的反应速率相协调,电池才能维持长久稳定运行。本论文在电池阳极和碳燃料中添加了GDC和Fe催化剂,研究了其对电池输出性能,阻抗性能和稳定性的影响,表征了电池的微观结构和碳燃料在电池反应前后的变化。结果表明添加的GDC改善了阳极结构,催化了阳极上CO的电化学氧化反应,减小了界面极化电阻,大大提高了电池的性能,Fe催化剂促进了碳燃料的Boudouard反应,使得碳燃料充分被消耗,添加的催化剂也提高了电池的稳定性。EDX表征表明电池反应后燃料残余物中含C极少,可以忽略。XRD表征表明燃料残余物主要是纳米级的Fe2O3。本论文针对Boudouard反应催化剂,研究了Fe催化剂和Ni催化剂的含量对Boudouard反应的影响。当Fe含量为5-7%和Ni含量为5%及以上时,对活性炭Boudouard反应的催化效果达到最好。本论文制备了分别以Ag-SDC和Ni-SDC为阳极的YSZ电解管支撑型SOFC,研究了它在干CO燃料下的输出性能、阻抗性能和稳定性。干CO燃料下,Ag-SDC阳极的性能大大优于Ni-SDC阳极的;Ag-SDC阳极稳定运行了95h其性能只下降了8.3%,而Ni-SDC阳极只运行了37h,性能下降了77.6%。SEM表征表明Ag-SDC阳极在稳定性测试后,Ag有轻微的烧结现象,Ni-SDC阳极在稳定性测试后,结构发生很大变化,Ni烧结严重。EDX分析结果表明Ag-SDC阳极表面碳沉积很少,可以忽略;而Ni-SDC阳极表面碳沉积很严重。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 固体氧化物燃料电池（SOFC）
• 1.2.1 SOFC的工作原理和特点
• 1.2.2 SOFC电池材料
• 1.2.3 使用不同燃料的SOFC
• 2燃料的SOFC'>1.2.3.1 使用H₂燃料的SOFC
• 1.2.3.2 使用碳氢燃料的SOFC
• 1.2.3.3 使用CO燃料的SOFC
• 1.2.4 SOFC支撑结构及其元件的制备方法
• 1.3 直接碳燃料电池（DCFC）
• 1.3.1 DCFC的基本原理和特点
• 1.3.2 DCFC的分类
• 1.3.2.1 熔融氢氧化物DCFC
• 1.3.2.2 熔融碳酸盐DCFC
• 1.3.2.3 双重电解质复合型DCFC
• 1.3.2.4 直接碳固体氧化燃料电池（DC-SOFC）
• 1.4 直接碳固体氧化物燃料电池涉及的主要问题
• 1.4.1 反应机理
• 1.4.2 阳极催化剂材料
• 1.4.3 燃料性质及Boudouard反应催化剂
• 1.5 本论文研究目的、研究内容和创新点
• 1.5.1 本论文研究目的和研究内容
• 1.5.2 本论文主要创新点
• 第二章 实验材料及测试方法
• 2.1 实验材料
• 2.2 实验仪器
• 2.3 表征方法
• 2.3.1 X-射线衍射分析（XRD）
• 2.3.2 扫描电镜分析（SEM）
• 2.3.3 能谱分析（EDX）
• 2.3.4 气相色谱分析（GC）
• 2.3.5 电化学性能测试
• 第三章 注浆成型法制备管式YSZ电解质支撑体
• 3.1 引言
• 3.2 注浆成型概述
• 3.2.1 注浆成型过程与特点
• 3.2.2 注浆成型机理
• 3.2.3 注浆成型基本要求
• 3.2.4 注浆成型缺陷分析
• 3.3 注浆成型法制备YSZ电解质管
• 3.3.1 石膏模的制备
• 3.3.2 YSZ电解质管的制备
• 3.4 本章小结
• 第四章 采用石墨燃料的DC-SOFC
• 4.1 引言
• 4.2 实验
• 4.2.1 电极的制备
• 4.2.2 DC-SOFC的制备及性能测试
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 电池的开路电压随温度的变化
• 4.3.2 电池的电化学输出性能
• 4.3.3 DC-SOFC反应机理分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 采用活性炭燃料的DC-SOFC
• 5.1 引言
• 5.2 实验
• 5.2.1 DC-SOFC的制备
• 5.2.2 DC-SOFC性能测试
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 电池的开路电压随温度的变化
• 5.3.2 电池的电化学输出性能
• 5.3.3 电池的阻抗谱分析
• 5.3.4 电池的寿命测试
• 5.3.5 石墨燃料和活性炭燃料比较
• 5.4 本章小结
• 第六章 阳极催化剂和Boudouard反应催化剂对DC-SOFC性能的影响
• 6.1 引言
• 6.2 实验
• 6.2.1 YSZ电解质管的制备
• 6.2.2 负载Fe催化剂的活性炭燃料的制备
• 6.2.3 DC-SOFC的制备
• 2下的气化反应（Boudouard反应）测试'>6.2.4 碳在C0₂下的气化反应（Boudouard反应）测试
• 6.2.5 DC-SOFC性能测试
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 Fe催化剂对碳Boudouard反应的影响
• 6.3.2 电池的电化学输出性能
• 6.3.3 电池的阻抗谱分析
• 6.3.4 电池的开路电压随温度的变化情况
• 6.3.5 电池的微观结构
• 6.3.6 电池的寿命测试
• 6.3.7 负载Fe催化剂的活性炭燃料的表征分析
• 6.4 本章小结
• 第七章 用于DC-SOFC的Boudouard反应催化剂的研究
• 7.1 引言
• 7.2 实验
• 7.2.1 Boudouard反应催化剂的制备
• 7.2.1.1 Fe基催化剂的制备
• 7.2.1.2 Ni基催化剂的制备
• 7.2.2 Boudouard反应的测试
• 7.3 结果与讨论
• 7.3.1 纯石墨和纯活性炭的Boudouard反应比较
• 7.3.2 负载Fe催化剂的活性炭的Boudouard反应
• 7.3.3 负载Ni催化剂的活性炭的Boudouard反应
• 7.3.4 Fe催化剂和Ni催化剂对活性炭Boudouard反应催化效果的比较
• 7.4 本章小结
• 第八章 CO用作SOFC燃料的性能研究
• 8.1 引言
• 8.2 实验
• 8.2.1 电极材料的制备
• 8.2.1.1 NiO粉体的合成与表征
• 0.85e_0.20_1.9（SDC）粉体的合成与表征'>8.2.1.2 Sm_0.85e_0.20_1.9（SDC）粉体的合成与表征
• 8.2.2 电极的制备
• 8.2.2.1 Ag-SDC和NiO-SDC阳极浆料的制备
• 8.2.2.2 LSM-YSZ复合阴极和纯LSM阴极浆料的制备
• 8.2.3 电池的制备及测试
• 8.3 结果与讨论
• 8.3.1 电池的电化学输出性能
• 8.3.2 电池的阻抗谱分析
• 8.3.3 电池的稳定性测试
• 8.3.4 电池稳定性测试前后的性能对比
• 8.3.5 电池的微观结构
• 8.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间取得的研究成果
• 致谢
• 附件