瓦斯抽采与利用是煤矿瓦斯灾害治理的根本性措施,同时可以将瓦斯变害为利,减少温室气体排放,增加清洁能源供应。然而,低浓度瓦斯的甲烷浓度偏低((8_CH4<30%)且波动大,存在爆炸危险性,因此其利用难度很大,导致低浓度瓦斯利用率普遍偏低（<40%）,大量瓦斯被直接排放,造成严重的能源浪费和环境污染。现有主要的低浓度瓦斯利用技术为内燃机发电,但其存在效率低（²5%）、噪声高和NO_x排放量大等缺点,为此本文研究了基于固体氧化物燃料电池（SOFC）的低浓度瓦斯发电技术,该技术具有效率高、清洁无污染（无NO_x和噪音）、全固态无液体渗漏等优点,为煤矿低浓度瓦斯的安全、高效和清洁利用提供了新的有效途径,从而促进煤矿的安全生产和节能减排。煤矿低浓度瓦斯成分复杂,是目前研究很少的SOFC非常规燃料。本文采用实验测试、理论分析、数值模拟和工程设计相结合的手段,针对低浓度瓦斯作为SOFC燃料时的反应机理和关键技术难题开展科学研究,取得的主要成果包括:（1）为控制低浓度瓦斯组分位于安全区间,避免其在SOFC高温环境中爆炸或引起电池阳极氧化和积碳,提出了利用碳分子筛吸附动力学的微压真空变压吸附脱氧提浓技术,并探讨了工艺参数对脱氧提浓效果的影响规律,分析了气体分离过程的安全性。结果表明,该技术在20 kPa气源压力下可将低浓度瓦斯中O₂浓度由19%降低至1.8%,CH₄浓度由3.5%提高至8.6%,CH₄回收率达到79.5%,处理后瓦斯组分满足SOFC利用要求;降低解吸压力和进气流量可减少产品气O₂浓度、增加CH₄浓度,增大气源压力将提高CH₄回收率、降低O₂和CH₄浓度,分离过程中吸附塔内混合气体不具有爆炸危险性。（2）将氧气-甲烷浓度比R_mix作为反映低浓度瓦斯组分的关键变量,研究了其对SOFC各项性能的影响规律,揭示了低浓度瓦斯中O₂在阳极反应动力学中的作用机制,分析了SOFC对H₂S和高级烷烃的可容忍程度,从而论证了低浓度瓦斯燃料电池的可行性,并为优化电池工况条件提供了重要参考。结果表明,SOFC对低浓度瓦斯的组分变化(0≤_mix≤1.1)具有较强适应性,可保持较高的电化学性能和长期放电稳定性;增大R_mix将使SOFC开路电压、内重整效率和高温下功率密度减小,使浓差极化和氧化风险增大,但也会减少阳极积碳、硫中毒和活化极化损失,综合各项性能的R_mix最优区间为0.25≤_mix≤0.8;阳极低浓度瓦斯的氧化放热反应随R_mix增大先增强后减弱;低浓度瓦斯中O₂的氧化作用可提高阳极对H₂S和高级烷烃的容忍程度;增大R_mix有利于阳极表面传质和电荷转移,但会阻碍电化学活性气体H₂和CO的产生和扩散。（3）建立了多场耦合的非均相基元反应动力学和电荷传输模型,阐明了低浓度瓦斯在电池阳极的反应机理。计算结果表明含氧低浓度瓦斯在阳极入口区域主要发生CH₄部分/完全氧化反应,但沿流动方向CH₄的湿重整和水煤气变换反应逐步增强;O₂可解离吸附在Ni金属表面促进Ni表面CH_x转化并去除积碳。该模型计算结果表明当0.25≤_mix≤0.8时阳极不会出现积碳和氧化,提高瓦斯流量和增大阳极孔径、厚度和比表面积可提高电池放电性能。（4）针对低浓度瓦斯燃料电池阳极积碳的问题,研发了新型抗积碳阳极重整层材料Mo掺杂的NiTiO₃（Mo-NiTiO₃）,并分析了其抗积碳性能和机理。该材料在SOFC阳极高温还原气氛中可原位分解为纳米网状结构的Mo-TiO_2-δ和Ni金属的复合材料,具有强吸水性和强催化活性以及数量众多的纳米级反应界面,因此可大幅促进CH₄的湿重整和水煤气变换等反应,从而消除积碳,并产生大量H₂和CO活性气体。利用TiO_2-δ基体上的Ni金属进行积碳测试和同步辐射X射线吸收光谱分析,进一步验证了重整层材料的抗积碳性能及机理。实验研究发现有重整层的电池利用低浓度瓦斯时电化学性能、阳极内重整性能、抗积碳性能和长期放电稳定性均大幅优于不含重整层的电池。（5）以实际工程中采用的较大功率燃料电池堆为实验对象,分析了其利用低浓度瓦斯时的发电性能及其影响因素,并以实验性能参数为基础进行了低浓度瓦斯燃料电池发电系统设计,对于指导该技术的工程实践和优化具有重要意义。研究表明以低浓度瓦斯((8_CH4=13%)为燃料时电池堆可保持较高的电化学性能,功率密度为150 mW/cm²,发电效率达到38.23%,最高效率工况下燃料利用率达到72.2%,电池堆不同区域温差较小,不会因瓦斯氧化放热而出现热失控,且可保持长时间的放电稳定性,由此证明了在实际工程应用条件下低浓度瓦斯燃料电池堆发电的高效性和稳定性。一定范围内燃料中CH₄浓度降低对电池堆性能影响较小,减小N₂含量和低浓度瓦斯流量可提高电堆功率密度,但当运行温度低于730 ^oC时电堆性能将大幅衰减。另外,进行了50 kW低浓度瓦斯燃料电池发电系统设计,给出了关键工程参数,并分析了成本和收益,表明该系统具有良好的市场应用前景。以上研究成果为基于固体氧化物燃料电池的低浓度瓦斯利用技术提供了初步的理论、实验和实践基础,对于该项技术的后续优化也具有指导意义。该论文有图168幅,表16个,参考文献159篇。