【摘要】：固體氧化物電池(SOC)包括固體氧化物燃料電池(SOFC)和固體氧化物電解電池(SOEC)。其中,SOFC直接將儲(chǔ)存在燃料氣中的化學(xué)能高效、環(huán)境友好的直接轉(zhuǎn)化為電能,可以極大地緩解傳統(tǒng)能源消耗迅速且環(huán)境污染嚴(yán)重等問題;而固體氧化物電解電池(SOEC)可以利用太陽能、風(fēng)能等可再生能源發(fā)電電解二氧化碳等溫室氣體,將其轉(zhuǎn)化為化學(xué)能,進(jìn)行能源儲(chǔ)存,實(shí)現(xiàn)了可再生能源的儲(chǔ)存和利用。鎳基支撐電極的固體氧化物電池是最常見的。對于SOFC,甲烷是最常見的碳?xì)淙剂蠚?是天然氣的主要成分,它具有儲(chǔ)量豐富、易于儲(chǔ)存、價(jià)格低廉等優(yōu)勢,將CH_4作為燃料是未來發(fā)展的一種趨勢。除此之外,如今化石能源的燃燒,產(chǎn)生了大量的二氧化碳排放,造成海平面上升等嚴(yán)重溫室問題,因此發(fā)展CO_2的利用技術(shù),從而減少CO_2的排放已成為當(dāng)今研究熱點(diǎn)。然而,在Ni的催化作用下,無論是甲烷,還是二氧化碳,都存在積碳問題,這嚴(yán)重限制了電池的性能,因此,研究固體氧化物電池燃料電極的抗積碳性能顯得尤為重要。通過浸漬法加載催化劑是一種最常見的方式,因其操作方便等優(yōu)點(diǎn)而廣受歡迎。然而,傳統(tǒng)電極結(jié)構(gòu)由于其彎曲且連續(xù)性不太好的孔道無法滿足快速均勻地加載催化劑;而且甲烷和二氧化碳屬于大分子氣體,對氣體擴(kuò)散有著較高的要求。故而孔結(jié)構(gòu)成為本論文的研究重點(diǎn)。本文通過微通道結(jié)構(gòu)對固體氧化物電池性能進(jìn)行改良,研究微通道對固體氧化物電池性能的影響。首先,微通道陽極支撐SOFC對CH_4利用率的研究。以甲烷為燃料的固體氧化物燃料電池有望實(shí)現(xiàn)高能量轉(zhuǎn)換效率。該研究采用具有新型微通道結(jié)構(gòu)的陽極支撐,其提供快速氣體擴(kuò)散途徑。為了證實(shí)這些優(yōu)點(diǎn),還采用具有半通道且沒有通道的陽極進(jìn)行比較。微通道結(jié)構(gòu)減少或消除了陽極載體內(nèi)的濃度極化,并利用陽極內(nèi)表面上的催化劑涂層改善了電池極化電阻,導(dǎo)致高且穩(wěn)定的甲烷轉(zhuǎn)化。甲烷轉(zhuǎn)化效率定義為用于與報(bào)告結(jié)果進(jìn)行比較的每摩爾甲烷的功率輸出,并且微通道SOFC產(chǎn)生最高記錄的甲烷發(fā)電效率。其次,微通道陰極支撐SOEC對CO_2電解性能的研究。浸漬方法是改善固體氧化物電池的多孔電極性能的有效方式,而催化劑的制備程序和催化劑穩(wěn)定性仍然具有挑戰(zhàn)性。陰極的微通道結(jié)構(gòu)使得能夠通過滲透過程將催化劑實(shí)施到固體氧化物電解電池的Ni基陰極載體中以加速CO_2電解。與通過浸漬常規(guī)硝酸鹽前體制備的催化劑涂層相比,通過滲透CeO_2膠體前體制備的催化涂層已經(jīng)證明了更有效的催化劑制備并且有更穩(wěn)定的CO_2電解性能。由于穩(wěn)定的催化劑微觀結(jié)構(gòu),滲透過程的優(yōu)化使得在電池操作期間334小時(shí)的CO_2電解性能的穩(wěn)定性。此外,本文研究微通道對甲烷碳?xì)淙剂蠚廨o助電解二氧化碳電池的影響。甲烷輔助電解二氧化碳大大減少了電耗。故而,在燃料氣輔助電解二氧化碳的模式下,給它一個(gè)較低的電壓便可高效地還原二氧化碳。除此之外,還原二氧化碳產(chǎn)生的氧離子通過電解質(zhì)到達(dá)電池陽極和甲烷等碳?xì)淙剂蠚夥磻?yīng),生成一氧化碳和氫氣合成氣。通過微通道加載催化劑實(shí)現(xiàn)了電池在該模式下穩(wěn)定運(yùn)行,且產(chǎn)生了大量合成氣,氫氣和一氧化碳的選擇性都比較高。
【圖文】：

以及軍事、航天航空等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。SOFCs具有非常明顯的優(yōu)勢：發(fā)電效率高，在廢熱利用，熱、電聯(lián)供的情況下壓體系下，發(fā)電效率達(dá)到 90%以上[6]；低排放、低噪音；對燃料的適應(yīng)用天然氣、石油裂解氣、煤制氣、生物質(zhì)氣和其它碳?xì)浠衔锶剂蠚饨Y(jié)構(gòu)，，避免了使用液態(tài)電解質(zhì)所帶來的腐蝕和電解液流失等問題；積木產(chǎn)和安裝地點(diǎn)靈活等優(yōu)點(diǎn)。SOECs 是 SOFCs 的反運(yùn)行， 電解二氧化具有更高的能量轉(zhuǎn)換效率，需要較少的電能，更多的能源以熱能的形直接利用太陽熱能和工業(yè)尾氣余熱等。該模式最大優(yōu)勢在于 CO2電解源（如太陽能和風(fēng)能）來完成，實(shí)現(xiàn)可再生能源的連續(xù)存儲(chǔ)。 固體氧化物電池的工作原理化物電池裝置主要有三部分組成：多孔陽極、致密電解質(zhì)以及多孔陰如圖 1.1 所示。

微通道電極支撐的固體氧化電池性能研究是受到一定程度的限制。而蜂窩狀的孔結(jié)構(gòu)制備的，有著較快的氣體擴(kuò)散速度以及催化模生產(chǎn)和運(yùn)輸；我們課題組通過相轉(zhuǎn)化法制絮凝劑和溶劑相互對流形成統(tǒng)一筆直的微通載效率，而且在共燒之后的機(jī)械強(qiáng)度足以滿
【學(xué)位授予單位】：濟(jì)南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TM911.4

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