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直接碳固体氧化物燃料电池

唐玉宝  
【摘要】:直接以碳为燃料的直接碳燃料电池(Direct Carbon Fuel Cell,DCFC),理论转化效率高达100%以上,可使用经过简单加工处理的煤为燃料,为高效、清洁地使用煤提供了一种新途径。其中以固体氧化物为电解质的直接碳固体氧化物燃料电池(Direct Carbon Solid Oxide Fuel Cell,DC-SOFC)采用全固态结构,避免了使用液态电解质带来的腐蚀泄露问题,碳燃料潜在的电能达到~9Ah/g,因此DC-SOFC可能成为一种高储能密度电池,具有可观的发展前景。目前,DC-SOFC的研究还处在实验室基础研究阶段。 本论文采用注浆成型工艺制备了YSZ电解质管,在1600oC下烧结4h后,机械强度高,微观结构致密,达到了制备电池的要求。 本论文设计了一种结构简单,容易制作,采用全固态结构的管式YSZ电解质支撑的DC-SOFC装置。采用纯石墨为燃料研究了电池的输出性能,结果表明设计的DC-SOFC具有可行性,但电池衰减严重。通过热力学平衡计算了过量的碳和氧气反应在各个温度下达到平衡时产物的成分,在温度750oC时产物主要是CO气体,温度750oC时产物主要是CO2气体,结合实验结果和理论计算分析了DC-SOFC的反应机理,阳极上CO的电化学氧化反应和碳燃料的Boudouard反应是其关键反应。 本论文改变碳燃料,使用活性炭为燃料进行了电池输出性能、阻抗性能和稳定性的研究。结果表明电池的界面极化电阻在电池总耗损中占主导,没有使用任何流化气体电池稳定运行了37h,比石墨燃料稳定,证明了电池可以自维持工作。指出电池的性能和燃料自身的性质有关,阳极上CO的电化学氧化反应和碳燃料的Boudouard反应两反应的反应速率相协调,电池才能维持长久稳定运行。 本论文在电池阳极和碳燃料中添加了GDC和Fe催化剂,研究了其对电池输出性能,阻抗性能和稳定性的影响,表征了电池的微观结构和碳燃料在电池反应前后的变化。结果表明添加的GDC改善了阳极结构,催化了阳极上CO的电化学氧化反应,减小了界面极化电阻,大大提高了电池的性能,Fe催化剂促进了碳燃料的Boudouard反应,使得碳燃料充分被消耗,添加的催化剂也提高了电池的稳定性。EDX表征表明电池反应后燃料残余物中含C极少,可以忽略。XRD表征表明燃料残余物主要是纳米级的Fe_2O_3。 本论文针对Boudouard反应催化剂,研究了Fe催化剂和Ni催化剂的含量对Boudouard反应的影响。当Fe含量为5-7%和Ni含量为5%及以上时,对活性炭Boudouard反应的催化效果达到最好。 本论文制备了分别以Ag-SDC和Ni-SDC为阳极的YSZ电解管支撑型SOFC,研究了它在干CO燃料下的输出性能、阻抗性能和稳定性。干CO燃料下,Ag-SDC阳极的性能大大优于Ni-SDC阳极的;Ag-SDC阳极稳定运行了95h其性能只下降了8.3%,而Ni-SDC阳极只运行了37h,性能下降了77.6%。SEM表征表明Ag-SDC阳极在稳定性测试后,Ag有轻微的烧结现象,Ni-SDC阳极在稳定性测试后,结构发生很大变化,Ni烧结严重。EDX分析结果表明Ag-SDC阳极表面碳沉积很少,可以忽略;而Ni-SDC阳极表面碳沉积很严重。


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