【摘要】：固體氧化物燃料電池(SOFC)是一種高效全固態(tài)發(fā)電裝置。與低溫燃料電池相比,它具有燃料多樣性的優(yōu)點。SOFC以低濃度煤層氣為燃料時,傳統(tǒng)鎳基陽極由于積碳而導致電池性能降低,甚至衰竭。本文采用聚合物燃燒法制備了NiO/BaO/CeO_2(NBC)催化劑,以正硅酸四乙酯(TEOS)為硅源制備了NBC@SiO_2核殼結構催化劑,研究了兩種催化劑對甲烷部分氧化的催化性能及其穩(wěn)定性;研究了以30 vol%甲烷-70 vol%空氣為燃料時,將NBC催化劑和NBC@SiO_2催化劑采用直接噴涂和負載獨立催化劑層兩種方式引入電池陽極后電池陽極抗積碳性能的提升。采用陽極支撐型電池,以NiO-YSZ為陽極、釔穩(wěn)定的氧化鋯(YSZ)為電解質、Sm_(0.2)Ce_(0.8)O_(1.9)(SDC)為電解質和陰極間的緩沖層、Ba_(0.5)Sr_(0.5)Co_(0.8)Fe_(0.2)O_(3-δ)(BSCF)為陰極(記為Ni-YSZ)。主要內容如下:1.采用固定床裝置測試催化劑對甲烷部分氧化催化性能。結果表明,NBC催化劑對甲烷部分氧化反應有較高催化活性和催化穩(wěn)定性。900℃時CH_4轉化率為93%,CO選擇性接近100%;750℃時經過80 h穩(wěn)定性測試,CH_4轉化率穩(wěn)定在80%,CO選擇性穩(wěn)定在95%。NBC@SiO_2催化劑比NBC具有更高的甲烷部分氧化催化活性和催化穩(wěn)定性。900℃時CH_4轉化率和CO選擇性都接近100%。750℃時經過200 h穩(wěn)定性測試,CH_4轉化率和CO選擇性均穩(wěn)定在95%。2.將NBC直接噴涂于鎳基陽極,用電化學方法研究催化劑修飾陽極的電池應用于低濃煤層氣模擬氣時電池的性能和放電穩(wěn)定性。結果表明,將NBC催化劑直接噴涂到SOFC陽極(記為NBC//Ni-YSZ),可以提高SOFC電化學性能及放電穩(wěn)定性。在800℃和750℃,以低濃煤層氣模擬氣(30 vol%甲烷-70 vol%空氣)為燃料時,NBC//Ni-YSZ最大功率密度(PPD)比空白電池Ni-YSZ(0.6254 W cm~(-2)和0.5428W cm~(-2))分別提高了22.0%和15.1%;800℃恒流放電測試,放電電流為0.16 mA時,空白電池經過16 h電壓由0.8 V降為0 V,而NBC//Ni-YSZ經過80 h電壓從0.8 V降至0.6 V,降幅為0.0025 V h~(-1)。NBC//Ni-YSZ放電穩(wěn)定性增加說明電池陽極的抗積碳性能有所提高。SEM-EDS結果顯示經80 h放電后催化劑表面有輕微燒結現(xiàn)象,且碳含量有所增加,說明NBC催化劑熱穩(wěn)定性較差,鎳基陽極仍有積碳產生。3.采用直接噴涂和負載獨立催化劑層兩種方式,將核殼結構催化劑引入電池陽極,用電化學方法研究催化劑修飾陽極的電池應用于低濃煤層氣模擬氣時電池的性能和放電穩(wěn)定性。直接在電池陽極表面噴涂NBC@SiO_2催化劑(記為P-@NBC//Ni-YSZ)和作為獨立催化劑層NBC@SiO_2(記為Y-@NBC//Ni-YSZ),在800℃時電池的PPD比空白電池Ni-YSZ(0.6254 W cm~(-2))分別提高了約26.8%和32.8%。800℃恒流放電測試,放電電流為0.16 mA時,Ni-YSZ經過16 h電壓由0.8 V降為0 V;P-@NBC//Ni-YSZ電池在30 h內電壓從0.8 V降至0.6 V,降幅為0.0067 V h~(-1);Y-@NBC//Ni-YSZ電池經過180 h電壓從0.8 V降至0.7 V,降幅為0.0006 V h~(-1)。Y-@NBC//Ni-YSZ電池穩(wěn)定的放電性能預示著該電池鎳基陽極優(yōu)異的抗積碳性能。對放電穩(wěn)定性測試后的P-@NBC//Ni-YSZ電池陽極表面進行掃描電鏡分析,結果表明電池陽極表面直接噴涂NBC@SiO_2時,催化劑顆粒會堵塞陽極孔道,這將導致陽極孔隙度下降,造成電池擴散電阻增大,影響電池性能。
【圖文】：

圖 1.1 燃料電池分類示意圖Fig. 1.1 Fuel cell classification diagram1.3 固體氧化物燃料電池簡介固體氧化物燃料電池(Solid oxide fuel cell, SOFC)是一種不需經過燃燒過程，即可直接發(fā)生電化學反應把儲存在燃料中的化學能轉化為電能的發(fā)電裝置，近年來受到許多科研人員的重點關注和研究[9-14]。SOFC 是全固態(tài)結構電池，通常包括疏

圖 1.2 固體氧化物燃料電池工作原理圖 (a)質子型 (b)氧離子型Fig. 1.2 Working principle of solid oxide fuel cell (a) proton type (b) oxygen ion type對于質子型 SOFC，H+來源于電池陽極的燃料。H+通過電解質到達陰極后與陰極區(qū) O2發(fā)生反應生成水，e-在外電路中流動形成閉合回路，最終回到電池陰極區(qū)域。電池典型反應為：陽極： H2→2 H++ 2 e-(1.1)陰極： 4 H++ O2+ 4 e-→ 2 H2O (1.2)總反應： 2 H2+ O2→ 2 H2O (1.3)對于氧離子型 SOFC，，O2-來源于空氣里的 O2。O2-通過電解質到達陽極與陽極區(qū) H2反應生成水，e-在外電路中流動形成閉合回路，最終回到電池陰極區(qū)域。電池典型反應為：陰極： O2+ 4 e-→ 2 O2-(1.4)陽極： H2+ O2-→H2O + 2 e-(1.5)總反應： 2 H+ O→2 HO (1.6)
【學位授予單位】：山西大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：O643.36;TM911.4

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本文編號：2595595