低濃度燃料條件下運(yùn)行的單氣室固體氧化物燃料電池.pdf

1、單氣室固體氧化物燃料電池(SC-SOFC)是一種將電池的陰極與陽(yáng)極完全暴露于燃料與氧化劑混合氣氛環(huán)境中的新型燃料電池,依靠?jī)蓚€(gè)電極對(duì)混合氣氛中不同成分的選擇催化作用或催化能力差異實(shí)現(xiàn)發(fā)電,具有無(wú)需密封,并可以使用多孔電解質(zhì),易于構(gòu)建電池堆疊等優(yōu)點(diǎn)。目前,煤炭和石油等化石燃料的燃燒過(guò)程中仍會(huì)有部分燃燒不充分,容易造成資源浪費(fèi)和環(huán)境污染。借助SC-SOFC能夠在燃料與氧氣混合中工作的特點(diǎn),可以利用SC-SOFC將未經(jīng)完全燃燒的燃料進(jìn)行轉(zhuǎn)化和

2、二次利用。本論文擬探索可在中溫區(qū)、低燃料濃度偏氧化氣氛的混合氣體中運(yùn)行的SC-SOFC的電極材料為目的,著重測(cè)試了以傳統(tǒng)陰極材料作為電極的SC-SOFC在600℃~800℃溫區(qū),不同燃料濃度的混合氣氛中的電化學(xué)性能,并利用質(zhì)譜分析技術(shù)進(jìn)行了電極材料催化性能評(píng)價(jià)并分析了相關(guān)工作機(jī)理,還研究了Pt催化劑的引入對(duì)電極和電池性能的影響。具體研究包括:
　　測(cè)試了使用三種不同陰極(La0.75Sr0.25)0.95MnO3±δ、La0.6S

3、r0.4Co0.2Fe0.8O3-δ、Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ的陽(yáng)極支撐型SC-SOFC在較低溫度和燃料濃度條件下的電池開(kāi)路電壓(OCV)、放電曲線(xiàn)和阻抗譜,發(fā)現(xiàn)相對(duì)較低的測(cè)試溫度中電池開(kāi)路電壓震蕩更小,相對(duì)而言更加穩(wěn)定,并且當(dāng)燃料濃度較低時(shí)電池的燃料利用率更高,但電池輸出功率變低。
　　為了適應(yīng)尾氣的低燃料濃度的氧化氣氛下的工作要求,嘗試將傳統(tǒng)陰極材料兩兩組合或分別與貴金屬Ag組合成對(duì),作為SC-SOFC

4、的兩個(gè)電極(陰極和陽(yáng)極),測(cè)量這種電池在中低溫CH4與O2混合氣氛中的OCV,發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)陰極材料在一定條件下對(duì)CH4的部分氧化反應(yīng)也有催化作用,其中催化作用更強(qiáng)、電勢(shì)降低更明顯的可以充當(dāng)電池陽(yáng)極,其中LSCF-BSCF組成的電解質(zhì)支撐型電池時(shí)兩極電勢(shì)差最小,LSM-BSCF電池兩極電勢(shì)差最大,開(kāi)路電壓最高,達(dá)到了140.7mV。
　　通過(guò)完全模擬SC-SOFC預(yù)處理及工作環(huán)境,對(duì)傳統(tǒng)陰極材料粉體進(jìn)行預(yù)處理,并在中低溫區(qū)混合氣氛下通過(guò)

5、質(zhì)譜分析測(cè)試材料在該條件下對(duì)CH4-O2-Ar混合氣體的催化能力,并由此分析在電池工作運(yùn)行時(shí)陰極材料部分對(duì)整個(gè)電池性能的影響,分析電池反應(yīng)機(jī)理。發(fā)現(xiàn)測(cè)試中的幾種傳統(tǒng)陰極材料都能夠?qū)θ剂系牟糠盅趸磻?yīng)產(chǎn)生催化作用,但催化能力各不相同,LSM最強(qiáng),BSCF最弱;
　　LSM-BSCF電解質(zhì)支撐型電池中LSM電極上浸漬氯鉑酸引入貴金屬Pt催化劑,發(fā)現(xiàn)電池性能僅經(jīng)歷一次升降溫便明顯衰退。借助催化反應(yīng)的質(zhì)譜分析,發(fā)現(xiàn)此時(shí)CH4的部分氧化反應(yīng)