面向便携式应用的微型固体氧化物燃料电池的研究

论文摘要

固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种将化学能直接转化为电能的装置,具有能量转化效率高、环境友好及燃料选择范围广的优点,越来越受到研究者的重视。发展便携式或微型SOFC电池组并实现燃料多样化是当前SOFC发展的重要方向,这对于降低运行成本,提高现有化石能源的利用率都有非常重要的意义。YSZ因其具有高的化学和热稳定性,好的机械性能以及在很宽的氧分压范围内均呈纯氧离子导电等特性,仍然是目前SOFC应用中所普遍采用的电解质材料。通过掺杂改性以降低其烧结温度并提高其电学性能,对于节约能源,开发高性能的SOFC也具有相当重要的意义本论文首先成功开发了一种新型的实心多孔支撑体全膜化微型SOFC电池组,演示了其可行性;然后对YSZ掺杂改性,对降低其烧结温度和提高电性能等问题进行探讨;最后针对使用碳氢化合物燃料,对传统的Ni基重整催化剂进行改造以提高其稳定性和抗积碳能力。从SOFC微型化设计思想出发,在多孔的PSZ支撑体上利用胶体沉积和离心沉积两种成膜技术成功制备了单电池。结果表明,胶体沉积成膜技术更有助于获得高电池输出性能。为了减小阴极的界面接触电阻和降低电极活化损失,利用丝网印刷技术在LSM-YSZ复合阴极的上面制备一层纯LSM电荷收集层,来对阴极进行优化,结果显示电池的输出性能显著提高。在成功制备单电池的基础上,进一步制备了2～4节串联的微型SOFC电池组,获得了相当高的电池性能。3节和4节串联电池组在800℃,以H2为燃料时的最大功率密度分别达到了601mW/cm2和491 mW/cm2,开路电压分别为2.7V和3.85V。阻抗谱显示,电极极化损失仍然是影响电池性能的主要因素,因此改善电极微结构,选择更好的电极材料必将大幅度提高此类型电池组性能。在SOFC的制备过程中,YSZ电解质的烧结温度最高,因此其不能与阴极共烧,导致工序时间长、能耗大。为降低电解质的烧结温度,可以向YSZ中掺杂少量烧结助剂例如过渡族金属氧化物（Fe2O3）等。本文中用固相法制备了纯YSZ电解质与YSZ—Fe系列复合电解质,并以复合电解质制作成SOFC单电池进行了测试。研究结果显示通过向立方相的YSZ中掺入少量Fe,并未改变其高离子电导的萤石结构,但可明显提高其烧结性能和电池的功率密度并影响导电性能。掺入Fe可以降低YSZ的烧结温度,并使其致密度提高,采用YSZ-Fe系列复合电解质制作的SOFC单电池无论开路电压,还是最大功率密度都要高于同温度下的采用纯YSZ作电解质的SOFC。采用碳氢化合物燃料是便携式固体氧化物燃料电池的重要发展内容,阳极积碳和燃料的反应活性较低是限制碳氢燃料应用于SOFC的主要因素。利用内重整技术将碳氢燃料在催化剂的作用下转化合成气（H2+CO）,然后将合成气提供给SOFC使用是有效的解决途径。本文以SLT为支撑体,利用Sn对传统的Ni基催化剂进行表面合金化处理,成功制备了Ni/Sn表面合金重整催化剂,将该催化剂用于甲烷和丙烷的CO2重整和水蒸汽重整反应,研究结果表明,在Sn浓度很低的情况下,例如1wt%Sn含量（相对于Ni）,从能量角度看更易于形成表面合金,XPS数据也显示Sn更易于富集在Ni/Sn合金催化剂表面。无论对于CH4和丙烷的CO2重整还是水蒸汽重整,Ni/Sn合金催化剂的稳定性和抗积碳性能都明显高于纯金属Ni催化剂。在CH4的CO2重整实验中,在800℃,CH4/CO2=50:50时,Sn含量为1wt%的Ni/Sn合金催化剂稳定运行48小时无积碳产生,其催化活性与纯金属Ni相似。随着CH4/CO2比率的升高,Ni/Sn合金催化剂的催化活性呈下降趋势,当CH4/CO2=60:40时,稳定运行26小时后产生少量积碳。对于CH4的CO2重整和水蒸汽重整,Sn/Ni合金催化剂的催化活性对Sn含量都非常敏感,提高Sn含量会导致催化活性下降。另外对于水蒸汽重整,水蒸汽与CH4的比率（S/C）对Ni/Sn合金催化剂的催化活性也有影响,提高S/C的比率,可在一定程度上抑制合金催化剂退化。对带有Ni/Sn合金催化剂的SOFC单电池,分别以H2和CH4- CO2混合气体为燃料,进行电池性能测试结果显示,电池在以CH4- CO2混合气体为燃料时的性能要明显低于H2为燃料时,最大功率密度下降了50%。但是电池性能非常稳定,运行48小时性能无衰减,而且电池和催化剂上均无碳沉积出现。

论文目录

摘要

Abstract

第一章绪论

1.1 燃料电池的历史

1.2 固体氧化物燃料电池

1.2.1 固体氧化物燃料电池的工作原理

1.2.2 微型固体氧化物燃料电池

1.2.2.1 微管式SOFC

1.2.2.2 平管串接式微型SOFC

1.2.2.3 单室微型SOFC

1.3 燃料类型和燃料处理

1.3.1 氢和碳氢燃料

1.3.2 碳沉积

1.3.3 燃料处理

1.3.3.1 水蒸汽重整

1.3.3.2 干重整

1.3.3.3 部分氧化重整

1.3.3.4 自热重整

1.4 SOFC 的材料

1.4.1 电解质材料

1.4.2 阴极材料

1.4.3 阳极材料

1.5 本论文研究背景、意义和研究内容

1.5.1 本论文研究背景和意义

1.5.2 本论文研究内容

第二章实验材料及测试方法

2.1 实验材料

2.2 主要实验仪器

2.3 表征方法及测试手段

2.3.1 X-射线衍射分析（XRD）

2.3.2 扫描电镜分析（SEM）

2.3.3 陶瓷孔隙率计算

2.3.4 电化学性能测试

2.3.5 X 射线光电子能谱（XPS）分析

2.3.6 高温电导率

2.3.7 气相色谱分析

2.3.8 碳氢燃料气体重整系统

第三章以氢气为燃料的扣式实心多孔支撑体全膜化微型 SOFC电池组

3.1 引言

3.2 实验

3.2.1 多孔支撑体的制备

3.2.2 电极材料的合成

3.2.2.1 NiO 阳极材料的合成与表征

3.2.2.2 LSM阴极材料的合成与表征

3.2.3 YSZ 电解质膜的制备

3.2.4 电池活性层的制备

3.2.5 单电池和电池组的封接

3.2.6 电池性能测试

3.3 结果与讨论

3.3.1 离心沉积法和胶体沉积法制备的单电池性能比较

3.3.1.1 单电池微观结构

3.3.1.2 单电池电池开路电压与温度的关系

3.3.1.3 电池输出性能

3.3.1.4 电池阻抗谱分析

3.3.2 电池组输出性能

3.3.2.1 两节串联电池组输出性能

3.3.2.2 纯LSM 电流收集层对电池性能的影响

3.3.2.3 三节串联电堆模块的性能及阻抗谱

3.3.2.4 四节串联电堆模块的性能及阻抗谱

3.4 本章小节

第四章 Fe掺杂YSZ复合电解质材料的制备及性能研究

4.1 引言

4.2 实验

4.2.1 复合电解质样品制备

4.2.2 复合电极制备

4.3 结果与讨论

4.3.1 YSZ及Fe掺杂YSZ复合电解质结构分析

4.3.2 Fe掺杂YSZ复合电解质的高温体电导率和相对密度

4.3.3 复合电解质的微观形貌

4.3.4 电解质样品的烧结性能

4.3.5 SOFC 单电池输出性能

4.3.5.1 Fe 掺杂YSZ 复合电解质SOFC 的输出性能

4.3.5.2 原粉预烧对电池性能的影响

4.4 本章小结

2干重整反应的稳定性及其用于SOFC内重整后对电池性能的影响'>第五章 SLT支撑的Ni/Sn合金催化剂对CO₂干重整反应的稳定性及其用于SOFC内重整后对电池性能的影响

5.1 引言

5.2 实验

5.2.1 待浸渍的SLT支撑体合成与表征

5.2.2 SLT支撑的Ni/Sn表面合金重整催化剂的制备

5.2.3 碳氢燃料气体重整反应器

5.2.4 LSGM 电解质支撑的单电池的制备

5.3 结果与讨论

2干重整'>5.3.1 甲烷的CO₂干重整

4的CO₂干重整反应的催化活性'>5.3.1.1 纯SLT对CH₄的CO₂干重整反应的催化活性

4 的 CO₂ 干重整反应的催化活性'>5.3.1.2 Ni/SLT 催化剂对 CH₄ 的 CO₂干重整反应的催化活性

4的CO₂干重整反应的催化活性'>5.3.1.3 Ni-1Sn/SLT对CH₄的CO₂干重整反应的催化活性

4/CO₂的比率对Ni-1Sn/SLT催化活性的影响'>5.3.1.4 反应气体中 CH₄/CO₂的比率对Ni-1Sn/SLT催化活性的影响

5.3.1.5 Sn 含量对Ni/Sn 表面合金催化剂催化活性的影响

2的干重整'>5.3.3 丙烷的CO₂的干重整

3H₈的 CO₂干重整反应的催化活性'>5.3.3.1 Ni/SLT 催化剂对 C₃H₈的 CO₂干重整反应的催化活性

3H₈的CO₂干重整反应的催化活性'>5.3.3.2 Ni-1Sn/SLT催化剂对C₃H₈的CO₂干重整反应的催化活性

5.4 本章小节

第六章 SLT支撑的Ni/Sn合金催化剂对甲烷的水蒸汽重整反应的催化活性和稳定性

6.1 引言

6.2 实验

6.3 结果与讨论

4的水蒸汽重整反应的催化活性'>6.3.1 纯SLT支撑体对CH₄的水蒸汽重整反应的催化活性

4的水蒸汽重整反应的催化活性'>6.3.2 Ni/SLT 催化剂对CH₄的水蒸汽重整反应的催化活性

3511/SLT对CH₄的水蒸汽重整反应的催化活性'>6.3.3 Ni₃511/SLT对CH₄的水蒸汽重整反应的催化活性

4的水蒸汽重整反应催化活性的影响'>6.3.4 Ni/Sn合金催化剂中 Sn含量对 CH₄的水蒸汽重整反应催化活性的影响

6.3.5 水蒸汽与甲烷的比率（S/C）对 Ni/Sn 表面合金催化剂催化活性的影响

6.4 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

面向便携式应用的微型固体氧化物燃料电池的研究

论文摘要

论文目录

相关论文文献

猜你喜欢