直接碳固体氧化物燃料电池的反应机理及其催化剂应用探讨

发布时间：2018-12-25 18:59

【摘要】：固体氧化物燃料电池(SOFC)作为一种氧浓差电池,是通过传递氧离子将燃料的化学能直接转换为电能的全固态新型发电装置。得益于高反应活性的氧离子,SOFC具有能量转换率高、燃料适用范围广等优势。直接碳固体氧化物燃料电池(DC-SOFC)是直接使用固体碳为燃料的SOFC,既具有固体碳能量密度高、来源丰富广泛、成本低廉等优点,也结合SOFC全固态结构、燃料适用范围广、无须任何高温液态介质等优势。本论文围绕DC-SOFC的阳极反应机理和应用不同碳源燃料的电池性能而展开,致力于为DC-SOFC的实际应用提供技术支持和理论依据。首先,对DC-SOFC阳极反应动力学方面进行初步研究,为DC-SOFC的可行性和自维持性提供反应动力学方面的理论依据。在此基础上,探索碳燃料气化反应催化剂种类、担载量、担载方式等因素对电池性能和稳定性的影响。发现了一种适用于DC-SOFC的天然担载催化剂的高性能生物质碳燃料,设计了以废弃塑料为燃料的SOFC系统,并得到理想的输出性能,拓展了SOFC的燃料适用范围,对SOFC的实际应用有指导作用。对DC-SOFC阳极反应动力学进行了初步研究。通过浸渍-提拉法制备管状YSZ电解质支撑的SOFC,其电池结构为Ag-GDC/YSZ/Ag-GDC。通过设计尾气检测系统对正在运行中的DC-SOFC产生的尾气流速和成分进行在线检测。研究结果表明,CO在阳极上发生电化学反应被消耗,CO2在碳燃料上发生Boudouard反应产生CO;电池的工作电流越大,CO的消耗速率和产生速率也越大。CO的消耗速率可以通过设定恒定的放电电流来控制为定值,然而CO的产生速率却因碳的不断消耗而逐渐减小。当CO的产生速率减小到小于CO的消耗速率时,电池停止工作。对800?C时DC-SOFC阳极室内碳燃料到阳极间1 cm范围内的CO和CO2的互扩散速率进行了初步估算,发现在运行电流为1 A cm-2的电流密度下工作时,CO和CO2的扩散速率足以维持DC-SOFC连续运行,或者说,由于气体扩散速率对电池性能的阻碍作用可忽略不计。针对DC-SOFC的应用,成功开发了一种用作DC-SOFC燃料的担载Fe催化剂的活性炭制备技术,称为湿法造粒技术。这种技术具有成本低廉、环境友好、能耗低、简单快速等显著优点。具体是通过在碳和氧化铁粉末中添加适量的聚乙烯醇缩丁醛乙醇溶液作为粘结剂,经过混合、干燥,得到催化剂分布均匀的活性炭燃料。采用压片法制备扣式YSZ电解质支撑DC-SOFC,对比了分别以湿法造粒工艺和离子浸渍工艺制备的Fe担载活性炭为燃料的DC-SOFCs的性能和放电稳定性。结果表明,湿法造粒法制备的Fe担载活性炭对应的DC-SOFC性能可与传统离子浸渍法制备的Fe担载活性炭相媲美,且电池的放电时间和燃料利用率优于后者。从而表明湿法造粒技术是一种有利于大规模工业生产催化剂负载碳燃料的技术,对DC-SOFC的广泛应用有重要的推动作用。为进一步拓展DC-SOFC的材料使用范围、降低成本、提高DC-SOFC的输出性能和燃料利用率,我们探索了以不同Ca担载量的活性炭为燃料的DC-SOFCs的电化学性能,并研究了Ca担载量对电池燃料利用率的影响。结果表明,5 wt.%Ca担载量的活性炭对应的DC-SOFC的输出性能、放电寿命和燃料利用率远优于相同担载量的Fe担载活性炭DC-SOFC,说明作为DC-SOFC碳燃料的催化剂,Ca的催化效果要优越于Fe。在将生物质炭应用于DC-SOFC燃料方面也做了探讨。将紫荆树叶碳化后用于DC-SOFC,最大功率密度在850oC下达到209 mW cm-2,甚至略高于目前报道的性能最佳的采用5 wt%Fe负载的活性碳(197 mW cm-2)的DC-SOFC。XRD,TG-DTA和EDX结果表明该树叶碳中存在大量的Ca CO3和少量的K和Mg元素,这些碱金属和碱土金属对Boudouard反应有重要的催化效果,提高了电池的输出性能,其天然分布的形式也对电池性能有重要影响。为拓展SOFC的燃料适用范围,采用一次性塑料饭盒作为废弃塑料的研究对象,通过两步法(热解-气化过程),成功研制了以废弃塑料为燃料的SOFC系统,得到优越的输出性能(173 mW cm-2,800?C),其性能甚至优于以氢气为燃料的SOFC(154 m W cm-2,800?C)。研究结果表明,裂解催化剂对电池性能和稳定性具有重要作用。对电池和热解催化剂的微观结构,废弃塑料的热解产物,电池的输出性能、阻抗谱图、放电特性以及燃料利用率都作了系统分析。总之,通过上述研究工作,从理论上为DC-SOFC的自维持性给出了初步依据,特别对碳燃料的制备、催化剂的选择、不同的碳源等进行了系统的研究,为将DC-SOFC开发为低成本、高性能、环境友好的新型发电装置提供了重要的理论和实验依据及技术储备。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O643.36;TM911.4

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本文编号：2391506