基于固体氧化物燃料电池的低浓度瓦斯燃料阳极重整过程与清洁利用研究

作     者：包航 

作者单位：中国矿业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：凌意瀚

授予年度：2022年

学科分类：0808[工学-电气工程] 0819[工学-矿业工程] 081705[工学-工业催化] 081903[工学-安全技术及工程] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：低浓度煤矿瓦斯 固体氧化物燃料电池 阳极重整反应 碳氧比 电池性能 

摘      要：煤层气(煤矿瓦斯)的主要燃料成分为甲烷,低浓度瓦斯通常指井下抽排甲烷体积分数小于30%的瓦斯,整体利用率仅有40%左右,其余多数被排放至大气中,导致严重的资源浪费。甲烷还是主要的温室气体之一,其全球变暖潜能值(GWP)是二氧化碳的25倍,过量的低浓度瓦斯排放,加剧了全球变暖危机,同时也严重违背我国2021年两会期间提出的“碳中和、碳达峰以及节能减排的国家战略。固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种直接将化学能转化为电能的新型技术,具有全固态结构,燃料范围广,能源利用率高等特点。本论文通过调控不同碳氧比作为关键研究变量,研究低浓度瓦斯阳极催化重整反应及进一步高效能源利用。本文主要研究内容如下:首先以Ni-YSZ阳极支撑半电池作为内重整催化反应器,以甲烷/氧气浓度比R作为关键研究变量,对比研究不同R的低浓度瓦斯燃料经过阳极Ni-YSZ催化氧化重整,利用气相色谱原位分析重整后燃料成分与含量变化规律,评价燃料重整反应效率。结果表明:甲烷的转化率随着氧气含量的减少,阳极重整反应效率先增大后减小,在750°C、R=4时转化率最大,达到30.57%,并进一步分析不同碳氧比的低浓度瓦斯燃料的转化利用率,当R=16时,H选择性与CO选择性在750-600°C区间分别保持68%以上和49%以上,为后续低浓度瓦斯SOFC高效转化利用提供理论支撑。为了进一步提升低浓度瓦斯的能源清洁高效利用,制备阳极支撑型SOFC,系统研究上述碳氧比R的低浓度瓦斯燃料的SOFC电池性能,研究发现:随着R增大,电池峰值功率密度逐渐增大,在750°C、R=16时,峰值功率密度最大,达到855.3m W·cm;随着R增大,Rt和Rp上升,Ro下降,当R=16,Rt、Ro、Rp在750°C分别为0.56、0.14、0.42Ω·cm;在SOFC工作模式下可以进一步促进低浓度瓦斯燃料的转化利用,有利于催化重整正向进行;在750°C、R=2、4、16时,恒流放电(-100m A·cm)测试约40h,能保持较好的稳定性,通过SEM及能谱分析长期测试后电池阳极截面,发现不同部位积碳较少。说明以低浓度瓦斯为燃料的SOFC的高效转化利用具备可行性。另一方面,YSZ电解质高温下才具有足够的氧离子电导率,为后期探究低浓度瓦斯为燃料的SOFC在低温下转化利用的可行性,将LaCeO(LCO)和Ba ZrYO(BZY)两种低温电解质材料以不同比例通过一步共烧法制备成低温复合电解质材料体系x BZY-LCO,研究发现:在所有组分中,3BZY-LCO致密度最高,为98.9%;维氏硬度最高,Hv=11.6 GPa;电导率在750°C时达到0.016S/cm,是单相电解质LCO电导率的2.5倍;在750°C下,以3BZY-LCO为电解质的单电池峰值功率密度最高,达到581 m W·cm,总阻抗仅1.15Ω·cm;在700°C恒流放电(150m A cm)测试100h,电压稳定保持在0.78V。综上所述,本研究通过调控低浓度瓦斯燃料中碳氧比作为关键变量,研究基于SOFC的低浓度瓦斯燃料阳极催化重整过程及高效清洁转化利用,系统研究低浓度瓦斯在阳极催化重整、能源转化利用等方面的初步理论及可行性,对实现“双碳目标具有重要意义。该论文有图41幅;表6个;参考文献107篇。