SOFC中CH4-H2为燃料的电性能及阳极材料的研究

论文摘要

固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，SOFC）是将储存在燃料中的化学能直接转化为电能的装置，具有污染少、效率高、不需要贵重金属催化剂等特点，因此在能源日益紧张的今天受到了格外的重视。但迄今为止，SOFC仍然有许多基础问题尚未妥善解决。结合SOFC研究现状，本文基于阳极尾气循环测试了Ni／YSZ阳极上以CH4-H2为燃料时电池的电性能以及H2对积碳的抑制效果，同时制备了Cu-Ce-Zr-O阳极材料并考察了其长期运行稳定性。本文的主要工作及结论如下：（1）以CH4-H2为燃料时SOFC的输出性能随着CH4流量、温度的升高而提高；在开路条件下、800℃-1000℃的操作温度范围内阳极上以CH4部分氧化反应为主；H2的加入可以抑制CH4高温条件下的深度裂解，且随着H2含量的增加阳极积碳现象得到明显改善。（2）随CH4-H2燃料气中CH4浓度的不同，SOFC性能达到最佳时CH4∶H2的比例存在最佳值，当CH4浓度分别为12.7％、16.4％和20.0％时其最佳比值分别为1∶4、1∶2和1∶1.5，增大或减小其比值电池输出性能均降低；保持CH4∶H2比例分别为1∶4（CH4浓度为12.7％）、1∶2（CH4浓度为16.7％）时和1∶1.5（CH4浓度为20.0％）时，电池输出性能均随载气N2含量的降低先增加后减小，并分别在N2浓度为28.6％、42.5％和50％时显示出最佳的输出性能。（3）采用共沉淀法和柠檬酸溶胶凝胶法制备了10％CuO-Ce0.15Zr0.85O2催化剂，并以此为原料制备了Cu-Ce-Zr-O阳极单电池。通过XRD表征，两种方法制备的催化剂分别在600℃、800℃焙烧后均能够形成完整的晶相，并出现ZrO2的四方晶相和单斜晶相特征峰，且均以四方晶相为主。通过SEM表征，两种方法均能制备出颗粒均匀、分散良好的阳极，且后者制备的催化剂在颗粒尺度上更细小，孔隙率更充足，其阳极结构要优于前者。为防止电解质基片断裂，采用涂敷方法、共烧结工艺制备出双层阴极。相对于常规Ni／YSZ阳极单电池，共沉淀法制备的单电池输出性能较差，但从长期稳定性运行上看，两种方法制备的单电池均显示了良好的稳定性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 文献综述
• 1.1 燃料电池概述
• 1.2 固体氧化物燃料电池概述
• 1.2.1 固体氧化物燃料电池工作原理及特点
• 1.2.2 固体氧化物燃料电池结构类型及研究进展
• 1.3 阳极气体及积碳分析
• 1.3.1 阳极气体循环
• 4-H₂为燃料气'>1.3.2 以CH₄-H₂为燃料气
• 1.3.3 阳极表面积碳分析
• 1.4 SOFC阳极材料
• 1.4.1 Ni-YSZ金属陶瓷阳极材料
• 1.4.2 Cu掺杂的Ce基阳极材料
• 1.5 本论文研究思路及主要研究内容
• 2 单电池的研制及试验装置
• 2.1 单电池的研制
• 2.1.1 实验材料和仪器
• 2.1.2 Ni/YSZ阳极电池的制备
• 2.1.3 Cu-Ce-Zr-O/YSZ阳极电池的制备
• 2.2 电池电性能测试装置
• 2.2.1 实验装置示意图
• 2.2.2 电池反应器结构
• 2.3 分析及表征手段
• 2.3.1 气相色谱表征方法
• 2.3.2 X射线衍射
• 2.3.3 扫描电子显微镜
• 4-H₂为SOFC燃料的电性能'>3 以CH₄-H₂为SOFC燃料的电性能
• 3.1 反应条件对电池输出性能的影响
• 3.1.1 流量对电池性能的影响
• 3.1.2 操作温度对电池性能的影响
• 2对阳极积碳的抑制作用'>3.2 H₂对阳极积碳的抑制作用
• 3.2.1 开路电压的计算
• 4、H₂之间的竞争吸附'>3.2.2 CH₄、H₂之间的竞争吸附
• 2对阳极积碳的抑制作用'>3.2.3 H₂对阳极积碳的抑制作用
• 4-H₂浓度对电池输出性能的影响'>3.3 CH₄-H₂浓度对电池输出性能的影响
• 4:H₂比例的影响'>3.3.1 CH₄:H₂比例的影响
• 3.3.2 载气浓度的影响
• 3.4 本章小结
• 4 Cu-Ce-Zr-O阳极电池表征及电性能
• 4.1 Cu-Ce-Zr-O阳极电池制备
• 4.2 Cu-Ce-Zr-O阳极电池表征
• 4.3 Cu-Ce-Zr-O阳极电池输出性能测试
• 4.3.1 单电池电性能测试
• 4.3.2 电池稳定性测试
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢