固体氧化物燃料电池脱硝性能研究

发布时间：2017-10-09 19:29

  本文关键词：固体氧化物燃料电池脱硝性能研究

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【摘要】：NOx作为火电厂和平板玻璃工业排放的主要污染物,严重危害人类健康,如何高效率除硝、且不产生二次污染,成为人类刻不容缓的课题。从热力学上来说,NO直接分解为N2和O2的倾向性很大(△rGm=-86.6 KJ/mol),但从动力学角度来说,该反应需要克服较大的活化能(364 KJ/mol)。因此,NO的直接分解需要借助一定的催化剂。目前电厂等应用的脱硝方式主要分为选择性催化还原(SCR)和非选择性催化还原(SNCR)。SCR法成本过高,还原剂NH3具有危险性且量不容易控制,脱硝效率最高达90%,不能完全脱除：SNCR脱硝效率在80%左右,缺点是会有副产物有毒气体N20产生,且过程不易控制。因此新的脱硝方式需要被引进,贵金属、分子筛、钙钛矿材料均是有效的直接催化分解NO的催化剂,同样面临着三大挑战：一是成本过高；二是催化剂易中毒：三是催化剂工作温度过高。因此,为了能够高效脱硝,我们需要一种新型高效的催化剂体系。固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell:SOFC)是一种将化学能直接转化为电能的新型能源电池,能量转化效率高,污染小,结构简单,适用范围广。目前,固体氧化物燃料电池的工作温度可低至700-800℃,这使其成本大大降低,应用范围得到很大拓展。SOFC被当做一种新型催化剂体系用来脱硝方面的研究,并取得了良好进展。研究认为氧空位在NO的催化分解反应中起重要作用,NO分解活性与氧空位的浓度有关。我们认为,SOFC电池结构产生的电势差可以增加LSM、LSCF等复合阴极材料的氧空位,提高氧空位的活性,从而提高脱硝效率。本论文分别通过流延和喷雾制备得到SOFC复合阳极和阳极功能层Ni-YSZ;通过湿法喷雾制备得到致密电解质YSZ(氧化钇稳定的氧化锆)；通过丝网印刷制备得到复合阴极材料LSM-YSZ/LSM,构成完整SOFC脱硝结构。探讨了YSZ球磨方式、球磨速度对其粉体粒径的影响,进一步探讨了YSZ球磨尺寸大小对电解质致密度的影响,得出了通过高能球磨并提高球磨转速(400r/min)来提高YSZ电解质陶瓷致密度的结论。在高温炉上将SOFC与NO尾气检测仪巧妙连接,建立脱硝测试平台。巧妙设置对照试验,阳极表面通入H2,阴极表面通入NO-N2载气,通过对照验证发现SOFC可大大提高NO分解速率,400℃可完全分解80 sccm的NO,700℃可完全分解800 sccm的NO；通过多次重复测量,得出温度、NO载气流速、还原时间、H2封闭体系及氢气的持续存在对NO分解均产生重要影响的结论。通过丝网印刷制备得到不同的阴极材料：LSM-YSZ、LSM、LSGF。通过多次重复测量,发现SOFC催化体系上不同阴极材料催化分解NO的能力不同。700℃下LSM效果最好,400℃下LSGF效果最好。
【关键词】：固体氧化物燃料电池 脱硝 丝网印刷 湿法喷雾 复合阳极 复合阴极YSZ 相邻氧空位 三相界面 封闭体系 致密度 高能球磨 催化体系
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM911.4
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第一章 绪论12-28
• 1.1 氮氧化物12-13
• 1.1.1 氮氧化物的产生与危害12
• 1.1.2 氮氧化物的防护与控制12-13
• 1.2 直接催化分解法13-18
• 1.2.1 NO直接分解的理论及实验基础13-14
• 1.2.2 NO直接分解的催化剂分类14-16
• 1.2.3 直接催化分解NO的反应机理16-18
• 1.3 SOFC催化分解NO18-25
• 1.3.1 燃料电池简介18-20
• 1.3.2 SOFC的结构及工作原理20-22
• 1.3.3 SOFC分解NO机理22-25
• 1.4 本论文研究内容25-28
• 第二章 实验方案与研究方法28-36
• 2.1 喷雾流延制备SOFC阳极28-30
• 2.1.1 实验装置与原料准备28-29
• 2.1.2 NiO-YSZ阳极功能层制备过程29
• 2.1.3 SOFC阳极生坯制备过程29
• 2.1.4 SOFC阳极生坯的干燥和烧结过程29-30
• 2.2 湿粉喷雾制备YSZ电解质30-31
• 2.2.1 实验装置与原料准备30
• 2.2.2 YSZ电解质薄膜制备过程30-31
• 2.3 丝网印刷制备LSM-YSZ/LSM复合阴极31-33
• 2.3.1 实验装置与原料准备31-32
• 2.3.2 SOFC复合阴极材料LSM-YSZ/LSM制备过程32-33
• 2.4 SOFC单电池脱硝实验平台搭建及测试33-34
• 2.4.1 实验仪器与材料准备33
• 2.4.2 SOFC脱硝单电池的制备33-34
• 2.4.3 SOFC脱硝单电池实验平台搭建34
• 2.5 SEM观测电池片块样及粉样微观形貌34-36
• 2.5.1 SEM块样制备35
• 2.5.2 SEM粉样制备35-36
• 第三章 高能球磨粉体对制备电解质和复合阴极的影响36-42
• 3.1 引言36
• 3.2 球磨方式对YSZ粉体尺寸的影响36-39
• 3.2.1 高能球磨与普通球磨对比36-37
• 3.2.2 球磨转速对粉体尺寸的影响37-39
• 3.3 粉体尺寸对电解质制备的影响39
• 3.4 本章结论39-42
• 第四章 影响NiO-YSZ/YSZ/LSM-YSZ/LSM电池片分解NO的因素42-48
• 4.1 引言42-43
• 4.2 NiO-YSZ/YSZ/LSM-YSZ/LSM电池片脱硝的验证试验43-44
• 4.2.1 SOFC分解NO的探索性实验43
• 4.2.2 SOFC分解NO的验证性实验43-44
• 4.3 SOFC分解NO的影响因素44-46
• 4.3.1 还原时间对SOFC催化分解NO的影响44-45
• 4.3.2 流速对SOFC催化分解NO的影响45
• 4.3.3 H_2密封体系对SOFC催化分解NO的影响45-46
• 4.3.4 H_2的持续存在对SOFC催化分解NO的影响46
• 4.4 本章结论46-48
• 第五章 不同复合阴极材料脱硝对比48-54
• 5.1 引言48-49
• 5.2 相同衬底不同阴极材料脱硝对比49-51
• 5.2.1 LSM(5层)、LSM-YSZ(2层)/LSM(3层)、LSM-YSZ(5层)脱硝对比49-50
• 5.2.2 LSM和LSCF脱硝对比50-51
• 5.3 LSM和LSCF脱硝性能与温度的关系51-52
• 5.4 本章结论52-54
• 第六章 结论54-56
• 参考文献56-64
• 致谢64-65
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果65

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本文编号：1002005