多烃类燃料单气室燃料电池及余热利用系统研究

论文摘要

单气室固体氧化物燃料电池（Single Chamber Solid Oxide Fuel Cell,简称SC-SOFC）是一种只有一个气室的新型燃料电池。区别于传统的双气室燃料电池,它在混合气氛中运行,靠不同电极的选择催化作用产生电压。具有无需密封、结构简单、运行温度低和电池堆的组合方式多样等优点。以往的SC-SOFC研究主要采用甲烷作为燃料,因为甲烷是结构最简单的碳氢燃料,电池的内部反应比较容易处理。本文在此研究基础上,重点考察采用多烃类燃料工作的电池的运行特点,包括丙烷和液化石油气（liquid petroleum gas,简称LPG）两种燃料,并进一步探究电池堆高温运行的余热利用技术,配合由SC-SOFC组装的无密封电池堆,组建热电联供系统。通过一系列的实验研究,对运行在不同温度与反应气体比例下的电池放电性能及阻抗谱进行对比,确定了丙烷与LPG燃料的SC-SOFC的最佳工作气体比例。在氮气流量为100sccm,丙烷与LPG的流量为20sccm的情况下,分别是丙烷与氧气比例为0.3,LPG与氧气的比例为0.25时,单电池的性能最好。随着氧气含量的增加,电池性能逐渐增强,趋势与使用甲烷燃料时相反。由于燃料电池的阳极催化燃料发生的部分氧化反应是放热反应,导致SC-SOFC的实际温度有高于外部炉温的现象。对于采用丙烷和LPG燃料的电池实际温度的研究发现,这种温度效应较使用甲烷燃料更加明显。同时,由于电极对燃料的选择催化性差,导致LSM阴极对燃料的氧化也有一定的催化作用,这有利于电池在中低温下工作。对在丙烷和LPG燃料的气氛下工作的LSM阴极进行阻抗谱研究发现,浸渍SDC的LSM阴极性能较好,在相同环境中,其极化电阻是未浸渍SDC阴极的1/35。随氧气浓度的提高,电池中出现了浓差极化现象,是电池性能受到制约的主要因素。电池短期的稳定性测试发现,多烃类燃料的电池的积碳问题是电池稳定性差的主要原因之一。随着氧气含量的增加,电池的碳沉积会有所减轻,相比较而言,LPG燃料的电池积碳比较严重。为了对单气室燃料电池堆运行的高温余热进行再利用,研究了采用加热循环水流进行热能回收利用,以及利用热电模块组件实现二次发电等余热利用技术,与SC-SOFC微堆相结合,组建了热电联供系统。实验结果表明,这种余热利用技术可以提高SC-SOFC微堆的高温余热利用率。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 固体氧化物燃料电池的工作原理及其组成部件
• 1.2 单气室固体氧化物燃料电池的原理及特点
• 1.3 SC-SOFC 的国内外研究状况
• 1.3.1 SC-SOFC 电极材料
• 1.3.2 电池的温度效应
• 1.3.3 SC-SOFC 的实际应用
• 1.4 本论文主要研究内容及意义
• 第2章 使用丙烷燃料的SC-SOFC 性能研究
• 2.1 丙烷燃料概述
• 2.2 实验样品及测试方法
• 2.3 电池的最佳工作气体比例和温度效应
• 2.3.1 电池的微结构观测
• 2.3.2 丙烷燃料电池温度效应
• 2.3.3 不同气体比例对电池性能的影响
• 2.4 LSM 阴极的阻抗谱分析
• 2.4.1 对称结构LSM 电极性能测试方法
• 2.4.2 使用丙烷燃料的LSM 阴极阻抗谱分析
• 2.4.3 LSM 阴极对丙烷燃料的催化作用
• 2.5 使用丙烷燃料的SC-SOFC 稳定性研究
• 2.6 小结
• 第3章 使用LPG 燃料的SC-SOFC 性能研究
• 3.1 LPG 燃料概述
• 3.2 采用LPG 燃料的电池性能特点
• 3.2.1 LPG 燃料SC-SOFC 的最佳工作气体比例
• 3.2.2 LPG 燃料SC-SOFC 的温度效应
• 3.3 使用LPG 燃料的SC-SOFC 稳定性研究
• 3.4 小结
• 第4章 电池堆的高温余热利用与热电联供系统研究
• 4.1 电池堆余热利用概述
• 4.2 热电联供系统设计与试验
• 4.2.1 热电联供系统的设计背景
• 4.2.2 热电联供系统的组成部件与测试方法
• 4.3 热电联供系统的测试结果与分析
• 4.4 小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢