管式液態(tài)銻陽(yáng)極直接碳固體氧化物燃料電池的制備及工作特性研究.pdf

1、固體氧化物燃料電池（SOFC）是一種將燃料中的化學(xué)能通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)換成電能的能量轉(zhuǎn)換裝置。它具有清潔無(wú)污染、安靜無(wú)噪音、模塊化設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)，可以在人口密度較高的區(qū)域應(yīng)用，也可以作為偏遠(yuǎn)地區(qū)的獨(dú)立發(fā)電設(shè)施。管式 SOFC易于實(shí)現(xiàn)燃料和空氣隔絕，在密封和燃料適用性上要優(yōu)于平板式結(jié)構(gòu)，尤其在固態(tài)燃料利用方面。直接碳固體氧化物燃料電池（DCSOFC）在直接利用固態(tài)碳質(zhì)燃料進(jìn)行發(fā)電的同時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)主要溫室氣體（CO2）的容易分離，是一項(xiàng)具有廣闊前

2、景的發(fā)電技術(shù)。在眾多 DCSOFC研究方案中，液態(tài)金屬銻陽(yáng)極直接碳固體氧化物燃料電池（LAA-DCSOFC）有著較為獨(dú)特的工作機(jī)制。Sb與氧離子發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能，Sb與電解質(zhì)界面處生成的Sb2O3與Sb在660℃以上均是液態(tài)，二者在密度差驅(qū)動(dòng)下會(huì)發(fā)生分離；燃料不直接參與電化學(xué)反應(yīng)，而是與Sb2O3發(fā)生還原反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)Sb陽(yáng)極的循環(huán)。因此，電池結(jié)構(gòu)和燃料性質(zhì)對(duì)電池運(yùn)行有較大影響。目前關(guān)于LAA-DCSOFC的研究主要使用電解質(zhì)支撐

3、的平板式紐扣電池，管式LAA-DCSOFC的制備和工作特性需要進(jìn)一步研究。
　　本論文使用新穎的漿料注入法制備了陽(yáng)極支撐型管式SOFC，陽(yáng)極為Ni-YSZ（Y2O3摻雜ZrO2），電解質(zhì)為YSZ，陰極分別為(La0.8Sr0.2)0.95MnO3-δ-YSZ（LSM-YSZ）和納米PdO顆粒修飾的LSM-YSZ，對(duì)管式SOFC的電性能和長(zhǎng)期穩(wěn)定性進(jìn)行了測(cè)試。采用漿料注入法制備了YSZ支撐的La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O

4、3-δ-Gd0.1Ce0.9O2-δ（LSCF-10GDC）復(fù)合陰極管式LAA-DCSOFC，對(duì)管式LAA-DCSOFC的電化學(xué)反應(yīng)特性、放電和運(yùn)行性能、燃料加載可行性、生物質(zhì)燃料適用性、陽(yáng)極化學(xué)反應(yīng)、燃料性質(zhì)和工作溫度的影響、燃料利用率和效率、尾氣的成分及其二次利用進(jìn)行了詳細(xì)研究。主要實(shí)驗(yàn)結(jié)論如下：
　?。?）采用漿料注入-浸漬提拉-共燒結(jié)的方法制備了Ni-YSZ/YSZ/LSM-YSZ構(gòu)型的管式 SOFC，在192h的測(cè)試過(guò)程

5、中沒(méi)有發(fā)生任何衰減。納米 PdO顆粒增強(qiáng)的Pd+LSM-YSZ陰極管式SOFC在750℃的峰值功率密度從注入PdO之前的280mW·cm-2提升至828mW·cm-2；在0.7A·cm-2的恒電流下進(jìn)行了288h的長(zhǎng)期測(cè)試，電壓衰減率由前170h的0.39mV·h-1降低至后100h的0.17mV·h-1；衰減的主要原因是初始均勻的分布納米PdO顆粒在測(cè)試過(guò)程中發(fā)生了團(tuán)聚和長(zhǎng)大。
　?。?）通過(guò)漿料注入-浸漬提拉方法制備了管式 L

6、AA-DCSOFC電池，在700、750和800℃取得了114、196和304mW·cm-2的峰值功率密度。在陽(yáng)極側(cè)，密度較小的Sb2O3匯聚在Sb的上部，二者由于密度差異發(fā)生了分層現(xiàn)象。生物質(zhì)碳燃料CAC（cocoanut active charcoal）和PCS（pyrolysis corn starch）可以成功地作為管式LAA-DCSOFC的燃料；燃料在陽(yáng)極Sb循環(huán)中充當(dāng)還原劑的作用，燃料耗盡后，電池性能發(fā)生快速衰減；在工作溫度

7、下二次加載燃料，已衰減的電池性能又恢復(fù)到了初始狀態(tài)，展現(xiàn)了良好的燃料二次加載可行性。
　?。?）通過(guò)引入每克燃料穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間（tg）可以評(píng)估管式 LAA-DCSOFC的燃料利用率以及能量轉(zhuǎn)換效率。工作溫度越高，電池工作性能越好，燃料利用率降低；同一電流密度下，溫度升高，tg減小。能量轉(zhuǎn)換效率與電池的工作條件密切相關(guān)：同一溫度下，工作電流越大，效率越低。以生物質(zhì)碳為燃料的管式LAA-DCSOFC在750-800℃以0.4A·cm-2

8、工作時(shí)，能量轉(zhuǎn)換效率為25.6％-32.2%。
　?。?）管式LAA-DCSOFC本質(zhì)上是碳的電化學(xué)回路燃燒，即化學(xué)回路燃燒（CLC）耦合SOFC，以SOFC為氧捕獲裝置，以Sb2O3為氧載體（OCs）。CAC為燃料的管式LAA-DCSOFC在800℃以0.4A·cm-2工作時(shí)，尾氣中CO和CO2的流量分別為2.00±0.04和1.79±0.04ml·min-1；使用管式SOFC對(duì)其尾氣進(jìn)行二次利用，實(shí)現(xiàn)了梯級(jí)發(fā)電，將能量轉(zhuǎn)換效率