论文部分内容阅读
固体氧化物燃料电池（Solid oxide fuel cell,SOFC）是一种高效的能量转化装置。目前碳氢化合物直接作为SOFC燃料是SOFC应用研究的热点。经典的SOFC阳极是基于镍基的陶瓷材料,以甲烷为燃料时极易引起阳极表面碳沉积,因而维持SOFC的长期稳定性的关键是提高阳极材料的抗积碳能力。全球煤层气（Coal bed Methane,CBM）储量丰富,而低浓度煤层气（CH4浓度低于30vol%）由于混入了大量的空气,直接利用难度较大,在实际生产中绝大部分排空或无效燃烧处理。针对这种现状,本论文结合传统的SOFC,发展了一种直接将低浓度煤层气作为燃料的发电方法。在镍基阳极表面耦合催化剂层,低浓度煤层气在到达镍基阳极前经催化剂层部分氧化为合成气后利用SOFC发电,其关键是具有高催化活性的、抗高温烧结的催化剂的制备。采用溶胶-凝胶法、水热合成法、甘氨酸燃烧法三种方法合成Ce0.8Sm0.2O1.9（SDC）,以8%Y2O3稳定的ZrO2（YSZ）和SDC为电解质层,制备了阳极支撑的单电池Ni-YSZ│YSZ│SDC│BSCF-SDC。通过探究三种SDC对单电池电化学性能的影响,得出以水热法法合成的SDC为电解质材料时,单电池的电化学性能更为优异。在Ni基催化剂中引入金属氧化物CeO2和BaO,然后包裹SiO2合成了一种具有核壳介孔结构、抗高温烧结的催化剂NiO/BaO/CeO2@SiO2（@NBC）,还原后的@NBC中镍的质量百分比约为11.5%;通过XRD、TEM对其结构、形貌进行了表征;利用固定床催化装置研究了催化剂对模拟30%低浓度煤层气的催化性能;利用电化学工作站对核壳结构催化剂负载的电池（@NBC//Ni-YSZ）进行了电化学性能和长期放电稳定性研究,并与没有SiO2壳包裹的催化剂（NBC//Ni-YSZ）负载的电池、空白电池（Ni-YSZ）作对照。结果表明,@NBC对30%低浓度煤层气的部分氧化有较高的催化性能,在800°C时CH4的转化率高达88%,CO选择性为91%。以此核壳介孔结构催化剂作为SOFC的阳极催化剂层,以30%CH4-70%空气混合气为燃料,@NBC//Ni-YSZ的电化学性能有很大提高。800°C时功率密度比Ni-YSZ提升50%,在800°C下恒流放电稳定运行至少168 h,而NBC//Ni-YSZ在运行60 h后电压急速下降,Ni-YSZ在运行10 h后电压迅速下降,表明具有核壳结构的催化剂有很好的热稳定性。负载有核壳型催化剂的电池有较好的抗积碳性能。