以H2/CO为燃料的SOFC的电性能与极化特性的研究

论文摘要

固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，SOFC）是一种高温操作的全固态能量转换装置，具有效率高、燃料适应性强等优点。本文针对天然气、合成气及水煤气等工业上常见的燃料气源，研究了H2-CO组合气体为燃料时SOFC的发电性能；利用气相色谱仪（GC）分析阳极尾气，为下一步研究燃料气体在电极的反应规律及动力学行为打下基础；并基于电池微观结构（多孔性、毛孔大小和颗粒大小）的交换电流密度与气体扩散系数和操作参数（温度、压力和气体组分）建立了电化学数学模型，计算结果对优化设计具有很好的参考价值。本文主要包括以下三部分内容：（1）对不同条件下H2和CO为燃料的Ni-YSZ／YSZ／LSM电解质支撑SOFC的性能进行了测试。由实验得出：①SOFC的性能随着温度和混合气总流量增加成指数增大；②通入稀释气体N2后，比燃料为纯合成气时的电池性能有了较大提高，且选择适宜的N2浓度可得到较高的电池性能。最佳工作状态出现在氮气浓度为30％～50％，此时电流密度为极限电流密度的45％～55％。（2）测试SOFC性能的同时，利用气相色谱仪（GC）在线检测阳极尾气成分，考虑阳极化学反应进行质量衡算，探究反应机理和积碳的主要原因。①增大燃料气中氢气组分的浓度，有助于减少积碳量；②与高电流密度相比，低电流密度下，积碳量较多，在高电流密度下工作有助于减少积碳量。（3）建立了用于分析平板式固体氧化物燃料电池发电特性的数学模型。模型的一个重要特性之一是，分别从有效扩散系数和交换电流密度的角度考虑结构和操作的参数对浓差、活化过电位的影响。分析结果标明：颗粒尺寸远小于孔径，可得到104级的交换电流密度；欧姆极化和阳极活化极化是主要的电压损失；降低电解质厚度可明显提高电池性能；温度增加时，欧姆极化显著下降，故提高温度可使电池性能得到较大改善；经与实验数据比较，模型和实验数据具有很好的一致性，电池输出电压计算值的平均误差为4.5％，产生误差的主要原因是模型未考虑积碳效应的影响且忽略了界面接触阻抗。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 文献综述
• 1.1 固体氧化物燃料电池（SOFC）概述
• 1.1.1 SOFC的工作原理
• 1.1.2 SOFC的组成和结构类型
• 1.1.3 SOFC阳极材料的要求
• 1.1.4 SOFC研究现状
• 1.2 SOFC的电化学基础
• 1.2.1 电化学热力学
• 1.2.2 电极过程动力学
• 2-CO的来源'>1.3 SOFC中H₂-CO的来源
• 1.3.1 天然气转化制燃料气
• 1.3.2 水煤气法制燃料气
• 1.3.3 多碳烃制燃料气
• 2-CO在SOFC中的发电性能研究'>1.4 H₂-CO在SOFC中的发电性能研究
• 1.5 本论文研究思路及主要研究内容
• 2 单电池的研制及实验装置
• 2.1 单电池的研制
• 2.1.1 实验材料和仪器
• 2.1.2 电池的制备
• 2.2 电池电性能测试装置
• 2.2.1 电池反应器结构
• 2.2.2 实验装置示意图及实验装置实物图
• 2.2.3 关于实验装置的说明
• 2.3 气相色谱分析方法
• 2-CO混合气的电性能研究'>3 H₂-CO混合气的电性能研究
• 3.1 反应条件对电池性能的影响
• 3.1.1 电池性能随温度的变化
• 3.1.2 电池性能随气体流量的变化关系
• 3.2 稀释气体对电池性能的影响
• 3.2.1 不同浓度稀释气体对电性能的影响
• 3.2.2 不同浓度燃料气对电池性能的影响
• 3.3 气相色谱分析
• 3.3.1 分析步骤
• 3.3.2 面积外标法与质量衡算的数据处理
• 3.4 本章小结
• 4 SOFC的极化特性与发电特性的模拟计算
• 4.1 电池的理论模型
• 4.1.1 电化学动力学
• 4.1.2 计算过程框图
• 4.2 计算结构分析
• 0'>4.2.1 交换电流密度J₀
• 4.2.2 厚度对燃料电池极化特性和输出特性的影响
• 4.2.3 温度对电池极化特性和发电性能的影响
• 4.3 计算值与实验结构的比较
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录1 符号说明
• 附录2 甲烷实验数据与实验值比较
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢