基于Ni-YSZ固體氧化物燃料電池（SOFC）陽(yáng)極抗積碳性能的改進(jìn)
發(fā)布時(shí)間：2017-09-26 06:44
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【摘要】：固體氧化物燃料電池(SOFC)是在中高溫條件下直接將儲(chǔ)存在燃料中的化學(xué)能高效地轉(zhuǎn)化成電能的全固態(tài)發(fā)電裝置。從可持續(xù)發(fā)展角度來(lái)看,SOFC極具發(fā)展前景,被普遍認(rèn)為是在未來(lái)會(huì)得到廣泛應(yīng)用的一種能源利用設(shè)備。碳?xì)浠衔锶剂显赟OFC中的高效清潔利用是SOFC技術(shù)重要的發(fā)展方向�；阪嚮�(yáng)極的SOFC在以氫氣為燃料時(shí)表現(xiàn)出優(yōu)異的性能,在歐美國(guó)家、日本已有示范裝置在運(yùn)行。然而,直接以碳?xì)浠衔餅槿剂蠒r(shí),Ni基陽(yáng)極表面易嚴(yán)重積碳,導(dǎo)致陽(yáng)極失活,電池性能衰退,因此必須對(duì)鎳基陽(yáng)極進(jìn)行改進(jìn)。本文以8%Y_2O_3穩(wěn)定的ZrO_2(YSZ)為電解質(zhì),以20%Sr摻雜的LaMnO_3(LSM)為陰極,基于傳統(tǒng)的Ni-YSZ陽(yáng)極,設(shè)計(jì)了獨(dú)立于陽(yáng)極的催化劑層。這種結(jié)構(gòu)避免了催化劑和陽(yáng)極材料間因?yàn)闊崤蛎浶阅懿黄ヅ渌斐傻南嗷ビ绊?同時(shí)還保留了 Ni基陽(yáng)極較高的催化活性和導(dǎo)電性。更重要的是,燃料氣在到達(dá)電池陽(yáng)極前先通過(guò)催化劑層進(jìn)行催化重整反應(yīng)生成CO和H_2,經(jīng)過(guò)催化劑層的阻擋,Ni基陽(yáng)極表面的碳?xì)浠衔锶剂蠞舛却蟠蠼档?減少了裂解的碳在陽(yáng)極的沉積;本文采用甘氨酸燃燒法(GNP)合成了 NiO/BaO/CeO_2(NiBaCe)和 NiO/BaO/CeO_2/Al2O_3(NiBaCeAl)兩種催化劑,選取兩種基底(YSZ和Al_2O_3)通過(guò)共壓法將催化劑與基底分別壓制形成基底/催化劑雙層生坯體。制備了 NiBaCe-YSZ,NiBaCe-Al_2O_3,NiBaCeAl-YSZ 和NiBaCeAl-Al_2O_3四種催化劑層。研究了這兩種催化劑粉體對(duì)甲烷的水蒸氣重整催化性能。利用獨(dú)立催化劑層的電池結(jié)構(gòu)研究了以氫氣、甲烷、煤層氣為燃料時(shí)電池的發(fā)電性能,主要結(jié)果如下:(1)NiBaCeAl催化劑對(duì)于CH_4水蒸汽重整反應(yīng)有很好的催化性能。CH_4轉(zhuǎn)化率在850 °C時(shí)達(dá)到92.1%。在800 °C,經(jīng)過(guò)至少400 min的穩(wěn)定性測(cè)試,CH_4轉(zhuǎn)化率穩(wěn)定在80%以上。負(fù)載NiBaCeAl催化劑的兩種電池均取得了較高的功率輸出,以3%H_2O-97%CH4(濕甲烷)為燃料時(shí),負(fù)載有 NiBaCeAl-YSZ 和 NiBaCeAl-Al_2O_3催化劑層的電池在850 °C時(shí)取得了幾乎相同的最大功率密度(0.65 W·cm-2),稍高于空白電池的最大功率密度(0.60 W·cm-2)。恒流放電實(shí)驗(yàn)表明加有催化劑層的電池以濕甲烷為燃料時(shí)表現(xiàn)出較好的操作穩(wěn)定性(至少12小時(shí)),電壓下降速率分別為0.006V/h和0.01 V/h。相比較,空白電池在同等條件下放電20 min電壓就降為零。恒流放電測(cè)試后的電池表征表明,NiBaCeAl-YSZ和NiBaCeAl-Al_2O_3兩種催化劑表面均有碳納米管生成,可能是由于酸性的NiAl_2O_4促進(jìn)了碳沉積,而電池陽(yáng)極表面沒(méi)有積碳生成,說(shuō)明催化劑層的增加大大提高了電池陽(yáng)極的抗積碳性能�；诖呋瘎┍砻嬗写罅刻技{米管生成,設(shè)想可以利用此電池結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)碳電共生。(2)NiBaCe催化劑對(duì)甲烷的水蒸氣重整也有很高的催化活性和穩(wěn)定性。900 °C時(shí)CH_4的轉(zhuǎn)化率達(dá)到了 90.5%。在800 °C時(shí),經(jīng)過(guò)了至少400 min的穩(wěn)定性測(cè)試,CH_4轉(zhuǎn)化率保持在78%以上。負(fù)載NiBaCe催化劑的電池功率密度有明顯的提高。以NiBaCe-YSZ作為催化層,以3%H_20-97%CH4(濕甲烷)為燃料的電池在850 °C時(shí)最大功率密度為0.67 W·cm-2,略高于以NiBaCe-Al2O3作為催化劑層的電池的最大功率密度(0.65 W·cm-2),但均高于空白電池的最大功率密度(0.60 W·cm-2)。恒流放電實(shí)驗(yàn)表明以濕甲烷為燃料,800 °C下電池穩(wěn)定操作12h而不發(fā)生明顯的衰竭,對(duì)于負(fù)載NiBaCe-Al_2O_3的電池電壓下降的平均幅度為0.004 V/h,而負(fù)載NiBaCe-YSZ的電池電壓降幅為0.007 V/h�？瞻纂姵赜捎趪�(yán)重的積碳放電20 min后電壓迅速降為零。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明NiBaCe催化劑層的使用提高了電池鎳基陽(yáng)極的抗積碳性,且以A1_2O_3為基底的電池比以YSZ為基底的電池展現(xiàn)出了更好的抗積碳性能。(3)將這四種催化劑分別應(yīng)用于煤層氣(CBM,成分:CH_4,82.9975%;O2,2.1853%;N2,10.1839%;C_2-C8,3.4731%;CO_2,1.1602%)的固體氧化物燃料電池發(fā)電取得了和甲烷相似的效果。在800°C,以3%H_2O-97%CBM為燃料時(shí),負(fù)載了四種催化劑的電池在經(jīng)過(guò)12 h的放電測(cè)試后均沒(méi)有發(fā)生明顯的衰竭。對(duì)于負(fù)載有NiBaCeAl催化劑的電池,恒流放電測(cè)試后的催化劑表面均有碳納米管生成,基于此種現(xiàn)象,可以利用此結(jié)構(gòu)的電池實(shí)現(xiàn)碳電共生。且A1_2O_3基底的電池比YSZ基底的電池展現(xiàn)出了更好的抗積碳性能。陽(yáng)極表面沒(méi)有明顯的積碳表明催化劑層的使用提高了電池的功率輸出和抗積碳能力,也將促進(jìn)煤層氣作為燃料的SOFC的應(yīng)用。(4)綜合以上結(jié)論,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在以3%H_2O-97%CH_4為燃料時(shí),負(fù)載有NiBaCe-Al_2O_3催化劑的電池表現(xiàn)出優(yōu)于其它三種催化劑的電池性能,在以3%H_2O-97%CBM為燃料時(shí),負(fù)載有NiBaCeAl-Al_2O_3催化劑的電池表現(xiàn)出優(yōu)于其它三種催化劑的電池性能,催化劑的使用提高了電池的電化學(xué)性能、陽(yáng)極抗積碳性能和操作穩(wěn)定性。
【關(guān)鍵詞】：固體氧化物燃料電池 碳?xì)浠衔?/strong> 抗積碳 獨(dú)立催化劑層 煤層氣
【學(xué)位授予單位】：山西大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：O643.36;TM911.4
【目錄】：
- 中文摘要8-10
- ABSTRACT10-13
- 第一章 緒論13-27
- 1.1 引言13-14
- 1.2 固體氧化物燃料電池的特點(diǎn)14
- 1.3 固體氧化物燃料電池的工作原理14-16
- 1.4 固體氧化物燃料電池的關(guān)鍵材料16-20
- 1.4.1 SOFC關(guān)鍵材料之陽(yáng)極材料16-19
- 1.4.1.1 Ni基金屬陶瓷陽(yáng)極材料16-17
- 1.4.1.2 CeO_2基金屬陶瓷復(fù)合材料17
- 1.4.1.3 Cu基金屬陶瓷復(fù)合材料17-18
- 1.4.1.4 鈣鈦礦基陽(yáng)極材料18-19
- 1.4.2 SOFC關(guān)鍵材料之電解質(zhì)材料19
- 1.4.2.1 氧化鋯基電解質(zhì)19
- 1.4.2.2 CeO_2基電解質(zhì)19
- 1.4.2.3 LaGaO_3基電解質(zhì)19
- 1.4.3 SOFC關(guān)鍵材料之陰極材料19-20
- 1.5 固體氧化物燃料電池的燃料類(lèi)型20-21
- 1.5.1 傳統(tǒng)燃料H_220
- 1.5.2 碳?xì)浠衔锶剂?/span>20-21
- 1.6 經(jīng)典的鎳基陽(yáng)極固體氧化物燃料電池應(yīng)用于碳?xì)浠衔锶剂蠒r(shí)存在的問(wèn)題及相關(guān)解決方法21-24
- 1.6.1 極化電流21
- 1.6.2 其它氣體的加入21-22
- 1.6.3 通過(guò)另一種金屬與陽(yáng)極形成合金化22-23
- 1.6.4 陽(yáng)極的表面修飾23
- 1.6.5 陽(yáng)極催化涂層23-24
- 1.7 本論文的研究?jī)?nèi)容24-27
- 第二章 實(shí)驗(yàn)部分27-35
- 2.1 實(shí)驗(yàn)藥品27-28
- 2.2 實(shí)驗(yàn)儀器28
- 2.3 催化劑的制備28-30
- 2.3.1 催化劑粉體的合成28-30
- 2.3.2 催化劑片的制備30
- 2.4 樣品的制備30-32
- 2.4.1 電池漿料的制備30-31
- 2.4.2 單電池的制備31
- 2.4.3 電池的集流、組裝與密封31-32
- 2.5 研究和表征方法32-35
- 2.5.1 X射線衍射(XRD)32
- 2.5.2 掃描電子顯微鏡(SEM)32
- 2.5.3 催化性能測(cè)試32-33
- 2.5.4 電化學(xué)性能測(cè)試33-35
- 第三章 NiBaCeAl催化劑在以甲烷為燃料的固體氧化物燃料電池中的應(yīng)用35-45
- 3.1 引言35-36
- 3.2 結(jié)果與討論36-44
- 3.2.1 催化劑NiBaCeAl的XRD表征36
- 3.2.2 催化劑NiBaCeAl對(duì)甲烷水蒸氣重整的催化性能36-37
- 3.2.3 電化學(xué)性能37-40
- 3.2.4 電池穩(wěn)定性測(cè)試及分析40-41
- 3.2.5 恒流放電后電池的表面分析41-44
- 3.3 小結(jié)44-45
- 第四章 NiBaCe催化劑在以甲烷為燃料的固體氧化物燃料電池中的應(yīng)用45-55
- 4.1 引言45
- 4.2 結(jié)果與討論45-53
- 4.2.1 催化劑NiBaCe的XRD表征45-46
- 4.2.2 催化劑NiBaCe對(duì)甲烷水蒸氣重整的催化性能46-47
- 4.2.3 電池性能47-51
- 4.2.4 電池穩(wěn)定性測(cè)試及分析51
- 4.2.5 電池恒流放電后表面元素分析51-53
- 4.3 小結(jié)53-55
- 第五章 NiBaCeAl和NiBaCe催化劑在以煤層氣為燃料的固體氧化物燃料電池中的應(yīng)用55-65
- 5.1 引言55
- 5.2 結(jié)果與討論55-64
- 5.2.1 電池性能55-58
- 5.2.2 電池穩(wěn)定性測(cè)試及分析58-60
- 5.2.3 電池恒流放電后表面元素分析60-64
- 5.3 小結(jié)64-65
- 第六章 結(jié)論與展望65-69
- 6.1 結(jié)論65-66
- 6.2 展望66-69
- 參考文獻(xiàn)69-77
- 攻讀學(xué)位期間取得的研究成果77-78
- 致謝78-79
- 個(gè)人簡(jiǎn)況及聯(lián)系方式79-81
【參考文獻(xiàn)】
中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前4條
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4 張強(qiáng),顧t，
本文編號(hào)：922060
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