本論文針對(duì)清潔能源利用和CO₂減排的重要性,提出了采用固體氧化物電池來(lái)進(jìn)行煤層氣的高效清潔發(fā)電及CO₂的資源化利用。固體氧化物電池（SOC）是固體氧化物燃料電池（SOFC）和固體氧化物電解池（SOEC）的總稱(chēng),SOEC是SOFC的逆操作�？紤]到傳統(tǒng)的SOFC鎳基陽(yáng)極在使用碳?xì)浠衔锶剂蠒r(shí)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的積碳進(jìn)而導(dǎo)致電池性能衰減問(wèn)題,提出分體式陽(yáng)極催化劑層概念,進(jìn)一步考察了三種SrFeO_3-δ鈣鈦礦基催化劑材料在以甲烷（CH₄）或煤層氣（CBG,CBG主要成分為CH₄,82.9975%;O₂,2.1853%;N₂,10.1839%;C₂–C₈,3.4731%;CO₂,1.1602%）為燃料的情況下電池的抗積碳性能和電化學(xué)性能,獲得了較好的操作穩(wěn)定性及電池功率輸出。在以上工作基礎(chǔ)上,對(duì)La_0.7Sr_0.3Cr_0.5

【文章來(lái)源】：山西大學(xué)山西省

【文章頁(yè)數(shù)】：114 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)別】：博士

【部分圖文】：

氧離子傳導(dǎo)型SOFC工作原理示意圖[3]

第1章緒論3根據(jù)所電解燃料的不同，SOEC可以大體分為：電解CO2、電解H2O以及H2O和CO2共電解。SOEC與SOFC從原理角度上講互為逆過(guò)程，根據(jù)電解質(zhì)傳導(dǎo)機(jī)理的不同，SOEC也可分為質(zhì)子(H+)傳導(dǎo)型和氧離子(O2-)傳導(dǎo)型電解池。本論文使用的是氧離子(O2-)傳導(dǎo)型電解池，圖1.2是氧離子(O2-)傳導(dǎo)型電解池的工作原理，H2O在外加電壓作用下擴(kuò)散到燃料電極/電解質(zhì)界面處被解離成H2和O2-，H2擴(kuò)散到燃料電極表面，而O2-在外加電壓的作用下透過(guò)電解質(zhì)層擴(kuò)散到氧電極處，O2-失去電子變成O2，產(chǎn)生的O2經(jīng)疏松的氧電極擴(kuò)散到表面。圖1.2氧離子傳導(dǎo)型SOEC工作原理示意圖[5]Fig.1.2WorkingprincipleofO2-SOEC.SOEC電解H2O時(shí)具體的反應(yīng)如下：氧電極：O2-→2e-+1/2O2(g)(1.4)燃料極：H2O(g)+2e-→H2(g)+O2-(1.5)總反應(yīng)：H2O(g)→H2(g)+1/2O2(g)(1.6)為了排除可逆水氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)（H2(g)+CO2(g)→H2O(g)+CO(g)）的干擾，電解CO2時(shí)，通常將CO作為還原性保護(hù)氣體而不用H2作為保護(hù)氣。SOEC電解CO2的反應(yīng)如下：氧電極：O2-→2e-+1/2O2(g)(1.4)燃料極：CO2(g)+2e-→CO(g)+O2-(1.7)總反應(yīng)：CO2(g)→CO(g)+1/2O2(g)(1.8)共電解概念由美國(guó)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Idaho在2006年首先提出，所謂的共電解就是同時(shí)電解CO2與H2O的混合物，它可以直接產(chǎn)生合成氣(CO與H2的混合物)，而合成氣又可通過(guò)費(fèi)托反應(yīng)轉(zhuǎn)化為液體燃料[7-11]，因此具有很重要的意義。在共電解過(guò)程中，化學(xué)方程式(1.5)產(chǎn)生的部分H2可通過(guò)可逆水氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)(RWGS)將CO2還原為CO:

SrFeO3-δ基材料用于固體氧化物電池電極材料的研究4H2(g)+CO2(g)H2O(g)+CO(g)(1.9)在電解模式下，反應(yīng)的總能量焓變?chǔ)，其可用熱力學(xué)第一定律表示為：H=G+Q(1.10)其中ΔG表示反應(yīng)所需的吉布斯自由能或電能，而Q表示反應(yīng)所需的熱能。每個(gè)量都可以通過(guò)以下公式得到[12-14]：H=ΔH°+∫0(1.11)Q=TS(1.12)S=ΔS°+∫0(1.13)其中T表示絕對(duì)溫度，ΔCP表示定壓熱容，ΔS表示熵變，ΔH°和ΔS°分別表示在標(biāo)準(zhǔn)條件下(T0=298.15K，1atm)的焓和熵。電動(dòng)勢(shì)可以通過(guò)吉布斯自由能除以法拉第常數(shù)和電子數(shù)來(lái)求得。根據(jù)上文化學(xué)方程式(1.3—1.13)可以建立圖1.3,由圖可知高溫條件下有利于電池電解,因?yàn)榉磻?yīng)所需的能量(ΔH)可由高溫?zé)崮?Q)提供，所以反應(yīng)所需的電能(ΔG)會(huì)明顯降低。將電池集成到工業(yè)或核廢熱中提供外部熱量可以獲得較高的熱效率，同時(shí)降低生產(chǎn)成本[16-21]。在沒(méi)有提供外部熱量的情況下，反應(yīng)所需熱量由電流通過(guò)電池時(shí)在電池內(nèi)部產(chǎn)生的焦耳熱提供，因此增加了電力需求。以液態(tài)水取代水蒸氣為例，反應(yīng)所需能量增加了0.21V，所對(duì)應(yīng)的ΔHv為40.65kJ·mol-1。圖1.3水蒸氣和二氧化碳電解的熱力學(xué)[12]Fig.1.3ThermodynamicsofsteamandCO2electrolysis.電解CO2所需的能量高于電解H2O所需的能量，并且還需要將反應(yīng)物CO2氣體與生成物CO氣體進(jìn)行分離。然而與電解H2O相比，電解CO2的一大優(yōu)勢(shì)是CO2在

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]Fabrication and optimization of La0.4Sr0.6Co0.2Fe0.7Nb0.1O3-δ electrode for symmetric solid oxide fuel cell with zirconia based electrolyte[J]. Na Xu,Tenglong Zhu,Zhibin Yang,Minfang Han.  Journal of Materials Science & Technology. 2017(11)



本文編號(hào)：2951860