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《大连理工大学》 2004年
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以CH_4-H_2O、H_2-CO为燃料的固体氧化物燃料电池发电性能研究

毛晓峰  
【摘要】:固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell,SOFC)是一种高温操作的全固态的能量转换装置,具有效率高、燃料适应性强等优点。本文针对天然气、合成气及水煤气等工业上常见的燃料气源,研究CH_4-H_2O、H_2-CO组合气体为燃料时SOFC的发电性能,为下一步研究燃料气体在电极的反应规律及动力学行为打下基础。 本文主要包括以下三部分内容: 1)以YSZ、Ni-YSZ及LSM分别作为电解质、阳极及阴极材料,研制出电解质支撑结构的单体固体氧化物燃料电池,并通过扫描电子显微方法对其微观形态进行了分析。阴极孔隙率、颗粒分散程度明显优于阳极,因此阳极成为限制电池发电性能的一个重要因素。能谱分析表明,电池在使用后阳极出现积碳现象。 2)建立单电池发电实验装置,针对CH_4-H_2O、H_2-CO两种组合燃料气,实验研究了燃料组成、燃料浓度、温度等操作条件对电池发电性能的影响,并考察了长时间操作时电池性能的稳定性。对于CH_4-H_2O组合燃料气,水碳比对电池发电性能有显著影响,当水碳比为1时,发电性能最为优越;水碳比为2的CH_4-H_2O组合燃料气操作时电池发电性能可以长时间保持稳定,说明此种条件下水蒸汽可有效抑制积碳。对于H_2-CO组合燃料气,H_2/CO越高,发电性能越好;电池长时间操作时,使用水煤气可以获得与合成气相比拟的性能稳定性。在700℃~1100℃范围内电池最大功率密度与温度之间呈线性关系。 3)考虑不同操作条件及电池微观结构的影响,建立用于求解单电池极化特性的数学模型,基于MATLAB语言编制程序,并结合计算结果分析了电池组件厚度、温度对电池极化特性和发电性能的影响。阳极支撑结构的电池性能明显优于电解质支撑结构,降低电解质厚度可明显提高电池性能;温度增加时,欧姆极化损失显著下降,故提高温度可使电池性能得到较大改善。经与实验数据比较,电池输出电压计算值的平均误差为13.1%,产生误差的主要原因是模型未考虑积碳效应的影响及忽略了界面接触阻抗。
【学位授予单位】:大连理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2004
【分类号】:TM911.4

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