低浓度燃料条件下运行的单气室固体氧化物燃料电池

摘要

单气室固体氧化物燃料电池(SC-SOFC)是一种将电池的阴极与阳极完全暴露于燃料与氧化剂混合气氛环境中的新型燃料电池,依靠两个电极对混合气氛中不同成分的选择催化作用或催化能力差异实现发电,具有无需密封,并可以使用多孔电解质,易于构建电池堆叠等优点。目前,煤炭和石油等化石燃料的燃烧过程中仍会有部分燃烧不充分,容易造成资源浪费和环境污染。借助SC-SOFC能够在燃料与氧气混合中工作的特点,可以利用SC-SOFC将未经完全燃烧的燃料进行转化和二次利用。本论文拟探索可在中温区、低燃料浓度偏氧化气氛的混合气体中运行的SC-SOFC的电极材料为目的,着重测试了以传统阴极材料作为电极的SC-SOFC在600℃~800℃温区,不同燃料浓度的混合气氛中的电化学性能,并利用质谱分析技术进行了电极材料催化性能评价并分析了相关工作机理,还研究了Pt催化剂的引入对电极和电池性能的影响。具体研究包括:
　　测试了使用三种不同阴极(La0.75Sr0.25)0.95MnO3±δ、La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ、Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ的阳极支撑型SC-SOFC在较低温度和燃料浓度条件下的电池开路电压(OCV)、放电曲线和阻抗谱,发现相对较低的测试温度中电池开路电压震荡更小,相对而言更加稳定,并且当燃料浓度较低时电池的燃料利用率更高,但电池输出功率变低。
　　为了适应尾气的低燃料浓度的氧化气氛下的工作要求,尝试将传统阴极材料两两组合或分别与贵金属Ag组合成对,作为SC-SOFC的两个电极(阴极和阳极),测量这种电池在中低温CH4与O2混合气氛中的OCV,发现传统阴极材料在一定条件下对CH4的部分氧化反应也有催化作用,其中催化作用更强、电势降低更明显的可以充当电池阳极,其中LSCF-BSCF组成的电解质支撑型电池时两极电势差最小,LSM-BSCF电池两极电势差最大,开路电压最高,达到了140.7mV。
　　通过完全模拟SC-SOFC预处理及工作环境,对传统阴极材料粉体进行预处理,并在中低温区混合气氛下通过质谱分析测试材料在该条件下对CH4-O2-Ar混合气体的催化能力,并由此分析在电池工作运行时阴极材料部分对整个电池性能的影响,分析电池反应机理。发现测试中的几种传统阴极材料都能够对燃料的部分氧化反应产生催化作用,但催化能力各不相同,LSM最强,BSCF最弱;
　　LSM-BSCF电解质支撑型电池中LSM电极上浸渍氯铂酸引入贵金属Pt催化剂,发现电池性能仅经历一次升降温便明显衰退。借助催化反应的质谱分析,发现此时CH4的部分氧化反应更剧烈,所生成的H2导致了LSM电极的分解,造成其对燃料的催化作用明显减弱。

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第1章 绪 论

1.1 单气室固体氧化物燃料电池(SC-SOFC)

1.2 单气室固体氧化物燃料电池研究现状

1.3 本文研究的主要内容及意义

第2章 温度和燃料浓度对Ni-YSZ阳极支撑型电池的性能影响研究

2.1 概述

2.2 材料的物理表征

2.3不同阴极材料的阳极支撑型电池制备与电极形貌

2.4反应温度和气体流量对电池性能的影响研究

2.5本章小结

第3章 以传统阴极材料作为电解质支撑型SC-SOFC阳极的探索性研究

3.1 概述

3.2传统阴极材料做对电极的电池制备

3.3两种传统阴极材料构成电极对的 SC-SOFC对混合气体的相对催化情况研究

3.4反应气体流量与温度对电池阻抗的影响

3.5氧化物电极材料与Ag组成电极对时电池开路电压

3.6电极材料在CH4-O2-Ar混合气氛中催化能力测试

3.7 本章小结

第4章 Pt修饰的LSM作为阳极的SC-SOFC性能研究

4.1贵金属Pt 催化剂在SC-SOFC中的发展

4.2引入Pt催化剂的LSM|YSZ|BSCF的SC-SOFC研究

4.3 Pt浸渍的LSM-BSCF电池性能及稳定性测试

4.4 Pt浸渍的LSM电极对部分氧化反应的催化作用研究

4.5 本章小结

结 论

展望

参考文献

声明

致谢