【摘要】：固體氧化物燃料電池(SOFC)是一種將燃料中的化學能通過電化學反應轉(zhuǎn)換成電能的能量轉(zhuǎn)換裝置。它具有清潔無污染、安靜無噪音、模塊化設計等優(yōu)點,可以在人口密度較高的區(qū)域應用,也可以作為偏遠地區(qū)的獨立發(fā)電設施。管式SOFC易于實現(xiàn)燃料和空氣隔絕,在密封和燃料適用性上要優(yōu)于平板式結(jié)構(gòu),尤其在固態(tài)燃料利用方面。直接碳固體氧化物燃料電池(DCSOFC)在直接利用固態(tài)碳質(zhì)燃料進行發(fā)電的同時,可以實現(xiàn)主要溫室氣體(C02)的容易分離,是一項具有廣闊前景的發(fā)電技術。在眾多DCSOFC研究方案中,液態(tài)金屬銻陽極直接碳固體氧化物燃料電池(LAA-DCSOFC)有著較為獨特的工作機制。Sb與氧離子發(fā)生電化學反應產(chǎn)生電能,Sb與電解質(zhì)界面處生成的Sb203與Sb在660℃以上均是液態(tài),二者在密度差驅(qū)動下會發(fā)生分離；燃料不直接參與電化學反應,而是與Sb203發(fā)生還原反應,從而實現(xiàn)Sb陽極的循環(huán)。因此,電池結(jié)構(gòu)和燃料性質(zhì)對電池運行有較大影響。目前關于LAA-DCSOFC的研究主要使用電解質(zhì)支撐的平板式紐扣電池,管式LAA-DCSOFC的制備和工作特性需要進一步研究。本論文使用新穎的漿料注入法制備了陽極支撐型管式SOFC,陽極為Ni-YSZ(Y2O3摻雜Zr02),電解質(zhì)為YSZ,陰極分別為(La0.8Sr0.2)MnO3-δ-YSZ (LSM-YSZ)和納米PdO顆粒修飾的LSM-YSZ,對管式SOFC的電性能和長期穩(wěn)定性進行了測試。采用漿料注入法制備了YSZ支撐的La0.6Sr0.4Coo.2Fe0.8O3.δ-Gd0.1Ce0.9O2.δ (LSCF-10GDC)復合陰極管式LAA-DCSOFC,對管式LAA-DCSOFC的電化學反應特性、放電和運行性能、燃料加載可行性、生物質(zhì)燃料適用性、陽極化學反應、燃料性質(zhì)和工作溫度的影響、燃料利用率和效率、尾氣的成分及其二次利用進行了詳細研究。主要實驗結(jié)論如下：(1)采用漿料注入-浸漬提拉-共燒結(jié)的方法制備了Ni-YSZ/YSZ/LSM-YSZ構(gòu)型的管式SOFC,在192h的測試過程中沒有發(fā)生任何衰減。納米PdO顆粒增強的Pd+LSM-YSZ陰極管式SOFC在750℃的峰值功率密度從注入PdO之前的280mW·cm-2提升至828mW·cm-2;在0.7A·cm-2的恒電流下進行了288h的長期測試,電壓衰減率由前170h的0.39mV·h-1降低至后100h的0.17mV·h-1；衰減的主要原因是初始均勻的分布納米PdO顆粒在測試過程中發(fā)生了團聚和長大。(2)通過漿料注入-浸漬提拉方法制備了管式LAA-DCSOFC電池,在700、750和800℃取得了114、196和304mW cm-2的峰值功率密度。在陽極側(cè),密度較小的Sb203匯聚在Sb的上部,二者由于密度差異發(fā)生了分層現(xiàn)象。生物質(zhì)碳燃料CAC (cocoanut active charcoal)和PCS (pyrolysis corn starch)可以成功地作為管式LAA-DCSOFC的燃料；燃料在陽極Sb循環(huán)中充當還原劑的作用,燃料耗盡后,電池性能發(fā)生快速衰減；在工作溫度下二次加載燃料,已衰減的電池性能又恢復到了初始狀態(tài),展現(xiàn)了良好的燃料二次加載可行性。(3)通過引入每克燃料穩(wěn)定運行時間(tg)可以評估管式LAA-DCSOFC的燃料利用率以及能量轉(zhuǎn)換效率。工作溫度越高,電池工作性能越好,燃料利用率降低；同一電流密度下,溫度升高,tg減小。能量轉(zhuǎn)換效率與電池的工作條件密切相關：同一溫度下,工作電流越大,效率越低。以生物質(zhì)碳為燃料的管式LAA-DCSOFC在750-800℃以0.4A.cm-2工作時,能量轉(zhuǎn)換效率為25.6%-32.2%。(4)管式LAA-DCSOFC本質(zhì)上是碳的電化學回路燃燒,即化學回路燃燒(CLC)耦合SOFC,以SOFC為氧捕獲裝置,以Sb203為氧載體(OCs). CAC為燃料的管式LAA-DCSOFC在800。C以0.4A·cm-2工作時,尾氣中CO和CO2的流量分別為2.00±0.04和1.79±0.04mlmin-1;使用管式SOFC對其尾氣進行二次利用,實現(xiàn)了梯級發(fā)電,將能量轉(zhuǎn)換效率從27.8%提高至38.9%。
【圖文】：

１．２．１邋ＳＯＦＣ工作原理逡逑根據(jù)電解質(zhì)材料傳導的載流子類型，ＳＯＦＣ可レッ分為巧離子傳導型和質(zhì)子傳導型。逡逑目前，巧離子傳導型ＳＯＦＣ占據(jù)著主流地位，其工作原理如圖１－１所示ｆｉｑ：逡逑沍逡逑Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ邐）逡逑Ｍｌ邋「口邋Ｉ邋Ｆｌｏｗ邋Ｃｈａｎｎｅｌ逡逑化四逡逑：｜邋Ｉ叐Ｉ姦逡逑——巧…甲」每■卡逡逑Ａｎｏｄｅ：２Ｈ，＋邋２０，，＊２Ｈ：０邋＋知邐ＭＢＭ逡逑Ｃａｔｈｏｄｅ：邋０，邋＋邋４＃

本文編號：2565650