以阳极支撑的固体氧化物燃料电池为反应器生产合成气

以阳极支撑的固体氧化物燃料电池为反应器生产合成气

一、以阳极支撑固体氧化物燃料电池为反应器制合成气(论文文献综述)

姚瑶,蔡佩君,王绍荣[1](2021)在《沼气燃料固体氧化物燃料电池阳极相关问题综述》文中进行了进一步梳理固体氧化燃料电池(SolidOxideFuel Cell,SOFC)是最有前途的绿色能源转换装置之一,可以高效、清洁地将碳氢化合物燃料(如天然气、煤气化气、沼气等)中的化学能直接转化为电能,从而受到人们的广泛关注。沼气干重整即利用沼气中的CO2对甲烷进行干重整(Dry Reforming of Methane,DRM),将两种温室气体(甲烷和二氧化碳)转化为两种活性燃料(氢气和一氧化碳),有利于提高SOFC的性能。同时,该技术对于提高甲烷的利用率、减少污染以及促进新型化工合成路线都有重要意义。然而,当沼气中的甲烷与SOFC阳极直接接触时,由于镍基阳极的积碳会带来稳定性的问题,因此优化镍基阳极抗积碳的性能、制备稳定、高效和抗积碳能力强的催化剂是该技术的重点。本文通过对沼气干重整技术及抗积碳机理进行了简单的描述,总结了目前国内外报道有关的抗积碳的方法,针对SOFC抗积碳催化剂的研究现状,综述了通过内重整方法解决抗积碳相关问题。

郭劲[2](2021)在《纳米镍负载的氧化铈基催化剂的制备及其在微管式SOFC上的应用研究》文中认为丙烷部分氧化重整是现代工业化最成熟的制氢方法之一,丙烷在高温催化剂的催化下能发生部分氧化重整反应产生以H2为主要成分的合成气。固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种能将存在于燃料或者生物质中的化学能直接转化为电能的全固态结构电池。由于部分氧化重整放热的特性能满足SOFC高温工作的需要,现阶段对丙烷部分氧化重整与固体氧化物燃料电池的耦合应用提出了新要求,也引发了科研工作者的研究热潮。Ni-Al2O3催化剂是报道最为普遍的非贵金属催化剂,但Ni负载型催化剂在反应过程中容易产生碳沉积,与SOFC长时间耦合联用时容易导致阳极材料失去活性而降低电池性能。为此,本文首先使用水热法合成法制备了CeO2载体,再用溶胶凝胶法制备了Ni-CeO2催化剂,最后用催化剂进行丙烷部分氧化重整测试,研究了制备方法、活性组分负载量和重整温度对催化性能的影响。结果表明,在使用溶胶凝胶法,镍负载量为10%,重整温度为600℃的条件下,催化重整性能最佳,氢气产率约为220μmol g-1cats-1。此外,对催化剂的重复使用性进行了探究,发现在600℃,空气氛围下,对催化剂进行煅烧,可除去催化剂上炭沉积,实现了催化剂的重复利用。热重分析表明,随着重整次数的增加,催化剂碳沉积的量在减少,放热峰有向高温方向移动的趋势,这可能是因为多次重整/煅烧过程中发生了碳物质之间的晶型转化。微管式固体氧化物燃料电池的NiO-YSZ阳极用挤压成型法制得,电解质(YSZ)、阴极隔离层(GDC)和阴极(LSCF)依次涂覆在阳极管外表面,并用扫描电子显微镜对电池截面和阳极内表面进行微观形貌分析。使用燃料电池测试系统对电池进行电化学反应测试,研究了工作温度和燃料流速对固体氧化物燃料电池性能的影响。结果表明,随着温度的增加,管式燃料电池的最大功率密度升高,阻抗减小,700℃时最大功率密度达到了0.67 W cm-2,最佳燃料流量在500sccm左右。此外,使用COMSOL MULTIPHSICS?软件建立一个包含燃料通道,阳极,阴极和电解质层的阳极支撑的微管固体氧化物燃料电池二维模型。通过对阳极燃料通道的模拟,发现阳极入口处H2含量最高,电化学反应最为活跃。通过对阳极通道电流密度的模拟,发现阳极集电器周围分布的电流密度最大,且电流密度的分布与电化学反应程度有一定关系。将Ni-CeO2催化剂与微管式SOFC耦合使用,700℃时,直接使用重整气作为燃料测得电池最大功率密度为0.57 W cm-2,大于同条件下使用20%H2的情况。同时,在长时间使用重整气测试的条件下,电池性能保持48h无明显衰减。对长时间使用后的SOFC阳极进行SEM分析,发现电池阳极从出口(Rc)到入口(Ra),阳极结构逐渐变得松散。此外,对阳极不同部位产生的碳沉积进行分析,沉积在入口和出口的碳是无定形碳,但沉积在阳极取电口处的碳为碳纤维。在不同的阳极取电情况下对电池的性能进行研究。阳极中间取电的效果远远大于入口取电,一方面是由于中间集流模式下的最长电流路径仅为入口集流和出口集流模式下电流路径的一半,另一方面是由于入口处大量的碳沉积可能也会对入口集流的效率产生影响。

卢春玲[3](2020)在《钙钛矿结构对称固体氧化物电池电极材料及性能研究》文中研究表明固体氧化物燃料电池(SOFCs)是一种可以将燃料中的化学能直接转化为电能的发电装置,具有高效率、低污染、燃料灵活等优点。目前SOFC难以大规模商业化应用的主要原因就是成本问题,采用对称SOFCs可以显着地降低电池的制作成本,还可以解决传统的Ni基阳极材料的碳沉积和硫中毒等问题。而且,对称SOFCs可以灵活地切换到固体氧化物电解池(SOECs)模式运行,可以进行电解H2O、CO2来制备H2或合成气等。我们采用修饰现有SOFCs阴极材料的办法获得了几种高性能的对称电极材料,具体包括以下三方面工作:1.通过Mo元素掺入到商业化阴极材料La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ的Fe位获得了单相的La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.7Mo0.1O3-δ(LSCFM)对称电极材料。LSCFM电极在氧化和还原条件下保持了良好的结构稳定性。在800℃空气和氢气气氛中,极化阻抗值分别为0.041Ωcm2和0.266 Ωcm2。电化学阻抗稳定性测试结果显示LSCFM电极作为SOFC的阴极或阳极材料均具有良好的电化学稳定性。以LSCFM为对称电极,La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O3-δ(LSGM)为电解质的单电池在850℃以H2和乙醇为燃料时最大输出功率密度达到了 929 mW cm-2和481 mWcm-2。单电池的输出性能稳定性测试是在以液化石油气为燃料时进行的,LSCFM电极表现了良好的电化学稳定性,具有出色的碳沉积和硫中毒的容忍性。2.本工作报导了双钙钛矿对称电极材料Sr2Ti1-xCoxeO6-δ(x=0,0.1,0.2,0.3)。Sr2Ti0.8Co0.2FeO6-δ(STC02F)材料可在高温还原条件下脱溶出Co-Fe合金纳米粒子并保持双钙钛矿结构稳定。STC02F与常用的SOFCs电解质LSGM具有良好的物理和化学兼容性。在800℃空气和氢气气氛中,STC02F对称电池的极化阻抗值分别为 0.026 Ωcm2和 0.303 Ωcm2。单电池 STC02F/LSGM/STC02F 在 800℃以H2、液化石油气、C2H5OH、CH3OH为燃料时最大输出功率密度分别为555 mW cm-2、180 mW cm-2、404 mW cm-2、390 mW cm-2。此外,STC02F 对称电极的单电池在电解H2O或CO2或H2O/CO2过程中展现了良好的电化学性能和稳定性。3.层状钙钛矿氧化物PrBaFe2-xCoxO5+δ(x=0,0.2)被研究作为SOFCs和SOECs的对称电极材料。PrBaFe1.8Co0.2O5+δ(PBFC02)相比与PrBaFe2O+δ(PBF)样品对氧还原反应(ORR)和氢氧化反应(HOR)均具有良好的催化活性。在高温氢气气氛中,PBFC02样品会分解为PBF、Ba6Pr2Fe4O15、Co3Fe7几种材料。将分解后的产物在高温空气气氛中煅烧后,样品可以恢复到初始钙钛矿结构的PBFC02样品,具有良好的氧化还原可逆性。XRD和EDS线扫测试结果可以确定PBFC02材料与LSGM电解质具有良好的化学兼容性。在800℃,空气和氢气气氛中PBFC02对称电池的极化阻抗值分别为0.026Ωcm2和0.321 Ωcm2。PBFC02为对称电极的单电池在850℃以H2、液化石油气、C2H5OH为燃料时最大功率密度分别为734 mW cm-2、625 mW cm-2、268 mW cm-2。相同结构的单电池在进行H2O/CO2共电解过程中也表现了良好的输出性能和电化学稳定性。

王明明[4](2020)在《金属镍非对称中空纤维膜的制备与氢分离/制氢性能研究》文中进行了进一步梳理氢气既是一种重要的工业原料,也是理想的清洁能源,氢的制备与分离纯化是氢/氢能利用的前提和基础。目前,氢气主要通过煤、天然气(甲烷)、石油(烃类)等原料经水蒸气重整及变换反应,再经分离纯化得到。这些制氢反应一般均需在高温和催化剂下进行,且受热力学平衡限制,必须通过氢气的不断分离和原料循环操作提高氢气产率。应用氢分离膜反应器,使制氢反应与氢气分离纯化过程同时进行,既突破反应热力学平衡限制,提高反应转化率和(氢)产率,又可降低反应温度、缓和反应条件,而且可以直接制得纯氢,从而简化制氢工艺,降低制氢成本。为满足氢气分离膜反应器要求,迫切需要开发价格便宜以及稳定性能好的膜材料。基于此,本文开发了低成本金属镍中空纤维膜并应用于氢气分离,并且通过一步法成功制备了高度非对称结构金属镍中空纤维膜提高了氢气透量,将非对称金属镍膜作为催化膜反应器进行了水煤气变换(WGS)反应、甲烷蒸汽重整制氢(MSR)反应、逆水煤气变换(RWGS)反应的研究。围绕以上研究内容,主要开展了以下几个方面的工作:通过干湿纺丝和烧结技术制备了膜壁较薄的金属镍中空纤维膜,并在1000℃的高温下从包含CO2、CO、H2O和H2S的模拟重整混合气中分离H2。实验结果表明所制备的金属镍中空纤维膜具有100%的H2选择性,仅允许重整混合气中H2的渗透。在存在CO、CO2和水蒸汽的情况下,从重整气中回收氢气可能会受到水煤气变换反应(WGS:CO+H2O=CO2+H2)的明显影响。多次循环操作和长期稳定性测试表明,金属镍中空纤维膜具有良好的循环操作性能,并且在高温下具有较高的抗CO、CO2、H2O和H2S中毒的能力。优异的热稳定性、化学稳定性以及高渗透性能使金属镍中空纤维膜在便携式氢气源或煤气化大规模制氢等先进应用中具有巨大的潜力。一步法制备了仅有外表面一层薄的致密层而内部是多孔支撑层的非对称结构的金属中空纤维膜。中空纤维膜的有效透氢膜厚度约为28.5μm,远小于中空纤维膜的总壁厚(?400μm)。所得中空纤维的H2渗透性能在600-1000℃时达到(0.28-1.35)×10-4mol?m-2?s-1?Pa-0.5,比对称结构的商业镍毛细管高了一个数量级。相当于在较低温度(200-450℃)下Pd基膜的性能。将上述非对称结构金属镍中空纤维膜应用于WGS反应、MSR反应以及RWGS反应而无外加其他催化剂。结果发现:(1)在逆水煤气变换(RWGS)反应中,指状孔结构为RWGS反应提供了丰富的催化活性位点,并降低了气体传输阻力,从而具有高的CO收率和H2渗透通量。由于致密的表层对H2的渗透具有100%选择性,因此可以使用来自化工厂的含有H2的废气混合物作为原料,以提供纯净的H2用于合成气生产。研究证明了金属镍中空纤维膜应用于将含有氢气和二氧化碳的废气转化为更有用的化学物质的可行性。(2)在水煤气变换(WGS)反应中,研究发现H2O/CO比的增加导致金属镍膜反应器系统中更高的CO转化率。当温度高于950 oC时,由于膜反应器多孔层的高催化活性以及快速的H2转移速率,导致CO转化率大于平衡转化率。金属镍中空纤维膜克服了传统透氢金属Pd及其合金膜应用于WGS反应的中毒现象,以及二氧化硅膜在水蒸气存在时透氢性能受影响的问题。(3)在甲烷蒸汽重整制氢(MSR)反应中,详细研究了温度、吹扫气、水蒸气甲烷比(S/C)和CH4进料流量等运行参数,对膜反应器的CH4转化率、CO选择性和产氢速率的影响。结果表明,反应操作温度高于800 oC,S/C的比值控制在3左右,可以实现高CH4转化率和H2产率。当温度在1000℃以及甲烷空速在25937 h-1运行时,最大的H2产率达到50.84 mmol?m-2?s-1,而甲烷转化率达到98.58%。另外使用蒸汽代替诸如氮气之类的惰性气体作为吹扫气体,经过液氮冷凝后可以得到纯氢。金属镍膜在MSR反应中还显示了高的化学稳定性,以及在高于800℃的温度下具有较高的抗积碳能力。采用同心三孔喷丝板一步法成功制备了膜壁具有开放孔的非对称金属镍中空纤维膜。系统地研究了外凝固剂和空气距对中空纤维结构和性能的影响。所制备的中空纤维膜进行了扫描电子显微镜(SEM)表征,孔隙率和拉伸强度测试以及高温下的氢气渗透测试。结果表明,当外凝固剂中的N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)含量高于50 wt.%且空气距大于50 cm时,可形成由内表面致密层和外部多孔支撑层构成的外支撑非对称结构。这种高度非对称的中空纤维膜表现了高的氢渗透通量,当空气距为80 cm并且NMP浓度为80 wt.%时,在1000℃下具有最高氢气渗透为59.09 mmol?m-2?s-1。

姚雪利[5](2020)在《镍基阳极材料及单部件固体氧化物燃料电池》文中研究指明推动固体氧化物燃料电池(SOFC)发展的有效手段包括降低电池的操作温度和使用碳氢化合物作为燃料。其中,开发在中温范围内具有高活性并在使用碳氢燃料时保持高稳定性的阳极材料至关重要。Ni基金属陶瓷材料具有高电子电导率,优良的催化活性且价格低廉,使其成为极具竞争力的阳极材料。然而当使用碳氢化合物为燃料时,Ni基阳极容易发生积碳。此外,当阳极的烧结温度较低时,其电导率也较低。针对这些缺陷,本工作开发Ni基阳极材料的合成方法以提高其电导率,并对Ni基阳极进行修饰以改善其抗积碳性能。采用一步水热法合成了具有良好烧结性能的纳米尺寸NiO-Ce0.8Sm0.2O1.9(SDC)阳极材料。阳极材料中颗粒的平均尺寸约为10 nm,复合物中各相分布均匀。在700℃焙烧后,阳极的电导率达到100 S cm-1,比采用固相混合法合成的具有相同组分的阳极的电导率高三个数量级。以水热NiO-SDC材料为阳极,SDC碳酸盐复合电解质支撑的电池在700℃以氢气为燃料时获得738 m W cm-2的最大功率密度,远高于以固相混合法合成的NiO-SDC为阳极的电池性能。并且电池在以甲醇为燃料时具备良好的稳定性。为提高阳极的抗积碳能力,通过等体积浸渍法,将Nb Ox引入Ni-SDC材料。并将Nb Ox-Ni-SDC材料用作以甲醇为燃料的SOFC的阳极。还原后的阳极材料中同时存在Nb(IV)和Nb(V)。在700℃,以5Nb Ox-Ni-SDC为阳极,SDC碳酸盐复合物为电解质的电池取得了687 m W cm-2的最大功率密度。Nb的加入提高了Ni的电子云密度,表明存在Nb-Ni相互作用。这种相互作用有利于阳极材料捕获并吸附更多的甲醇分子,促进甲醇分子的氧化,进而提高电化学性能。5Nb Ox-Ni-SDC材料为阳极的电池在8 h的电池放电过程中,输出电压仅下降4.5%。研究发现电化学反应中阳极侧产生的水被Nb物种吸附并形成氢氧根,氢氧根能够将沉积在Ni表面的碳氧化,并以二氧化碳的形式从阳极侧排出,进而改善了电池的稳定性。采用钙钛矿B位过渡金属出溶的策略,合成了Fe-Ni合金的复合阳极材料Ni-La0.8Sr0.2Fe O3(LSF),并将其应用到以合成气为燃料的中温SOFC。在还原气氛下,Ni含量的增加促进了Fe的出溶,增加了Fe-Ni双金属合金反应位点。以10Ni-LSF为阳极的电池中,700℃下以合成气为燃料时取得了550 m W cm-2的最大功率密度。形成的Fe-Ni双金属合金可以优化活性位点的局域电子结构,同时氧化物基底中产生更多的氧空位,协同改善该电池的电化学性能。在10 h的放电过程中电池性能没有明显下降。研究发现Fe-Ni合金镶嵌在氧化物基底有助于抑制合金颗粒烧结,还可以有效抑制积碳的形成,进而提高电池的稳定性。此外,为了简化中温SOFC的电池结构,本论文还开展了对单部件燃料电池的研究。在本工作中,构筑了纳米尺度的Li0.15Ni0.45Zn0.4O(LNZ)-Gd0.1Ce0.9O1.9(GDC)-(Na0.43Li0.32K0.25)2CO3(NLKC)复合材料,其耦合了半导体材料LNZ和离子导体材料GDC-NLKC的传导特性。通过优化材料的电子电导率和离子电导率使材料的电导率达到平衡,大幅提高了单部件电池的性能。LNZ-GDC-NLKC材料构成的单部件电池在600°C的最大功率密度为582 m W cm-2。与GDC-NLKC材料构成的电池相比,LNZ-GDC-NLKC复合材料构成的单电池具有更好的电荷传导以及较低的电极极化阻抗,导致单部件电池取得优异性能。

柯昌明[6](2020)在《甲烷水汽重整动力学研究及抗积碳催化剂设计》文中认为甲烷水汽重整(Steam Methane Reforming,SMR),是一个成熟的传统化工过程,在能源和化学合成领域具有十分广泛的应用。最近几十年,能源危机和环境污染日趋严重,使得人们更加关注能源的清洁使用。SMR作为天然气清洁利用的重要技术,其工艺的革新,将对我国及世界能源形势带来深远的影响。对SMR动力学的认识是推进其技术发展的基石,而自上个世纪三十年代以来,虽然出现大量的相关研究;但迄今为止,其动力学本质仍存在诸多争议,其催化剂积碳也严重阻碍了 SMR技术的发展。因此,本研究工作以密度泛函理论(Density functional Theory,DFT)为基本工具,建立了普适的SMR微观动力学和宏观速率方程;并辅以深度学习的方法,进行抗积碳SMR催化剂设计;另外,使用类似的方法,也对较主流的液体储氢技术,甲醇水汽重整(Methanol Steam Reforming,MeSR)过程进行了深入研究。论文共分为六章:第一章,介绍了 SMR广泛的应用背景及研究现状。第二章,以DFT为基础,结合过渡态理论,研究了完整单碳表面物种的SMR基元反应网络,并建立了SMR宏观反应器模型。此完全第一性的模型,在跨越工业制氢及固体氧化物燃料电池常见工况的较宽条件,与实验高度一致,证明了本工作得到的SMR微观动力学模型的普适性。第三章,在微观动力学的基础上,比较了各实验条件下SMR的动力学行为,并归纳了多个实验条件下的主要反应路径和速控步骤;然后,使用化学动力学相关知识,推导了解析形式的SMR宏观速率方程。通过对方程性质的分析,给出了由于条件的改变,SMR动力学发生变化的整体图像,阐明了目前不同实验观测到的CH4、H2O反应级数及活化能相互矛盾的起源,对看似冲突的实验结果进行了统一。第四章,使用研究SMR类似的方法,研究了 Ni表面MeSR动力学过程,同样给出了 MeSR的速率方程;此外,在研究中发现,表面OH*会显着降低CHxO-H*的脱氢能垒,因此,在此章的最后,着重讨论了因OH*与CHxO-H*之间的氢键产生的催化作用。第五章,在对SMR动力学深入认识的基础上,提出了一种以深度学习为辅的完整催化剂设计方法。首先,基于对SMR动力学的深入认识,根据异相催化中的线性关系,找到了能正确预测过渡金属活性规律的SMR活性描述符;然后,使用深度学习的方法对大量合金的活性进行预测,并筛选高活性催化剂;最后,筛选满足多方面需求的合金。基于此,以催化剂C*和O*的吸附能作为活性描述性,并经训练后的深度神经网络预测,再经过几个步骤的筛选,获得了 11种活性高、价格低、环境友好、且稳定的合金。其中Ni3Ga、CoGa及NiZn,经密度泛函理论计算,验证了它们的SMR活性和抗积碳性能。第六章,进行了总结及展望。

张华[7](2020)在《基于甲烷的中空对称双阴极固体氧化物燃料电池的发电性能研究》文中提出固体氧化物燃料电池(SOFC)系统的主要优势之一是其出色的燃料灵活性,尤其是无需使用昂贵的外部重整工艺即可直接利用天然气,沼气或其他碳氢化合物燃料的潜力。直接内部重整(DIR)SOFC将甲烷直接进料并在阳极重整以产生用于发电的氢气,例如甲烷的蒸汽和CO2重整,具有更高的整体系统效率。然而,最具挑战的是在烃类重整过程中会发生大量的副反应,如:(i)CH4的裂解反应,(ii)CO歧化和(iii)逆水气变换反应,使Ni基活性阳极因碳沉积失活,阻碍重整反应的进行。本研究以具有对称双面阴极(DSC)的大扁管SOFC的新型电池作为研究对象,采用更具现实意义的甲烷(天然气,沼气)作为燃料气,研究不同运行工况(进料组分,温度,电流密度等)对电池性能的影响及其长期稳定运行中的衰减规律和衰减机理,特别是对阳极积碳现象的影响及积碳引起的电池衰减机理。论文主要的工作及结论如下:(1)以氢气为燃料气时,电池在750oC,放电电压为0.8V时,获得0.56W/cm2的优异的电化学性能,相应的燃料利用率为57.5%。如所预期的,该性能介于基于YSZ的阳极支撑平面和管状SOFC之间。电池经历了约2030 h的放电运行、4次热循环和短时间的气体耗竭事故,并计算出每两次放电之间电池的衰减速率约为每千小时10%。表现出一定的热循环稳定性和氧化还原稳定性。钢螺杆的蠕变行为、组织结构的变化和气密性部件的失效是导致其性能下降的主要原因。但对电池性能下降影响最大的因素还有待进一步研究。(2)直接使用甲烷和水蒸气作为燃料时,DSC具有厚阳极支撑体,可作为有效的内部重整器,从而实现高甲烷转化率和高CO选择性。而且,无论S/C比如何,在甲烷的内部重整过程中,阳极功能层都没有任何碳沉积。尤其是,DSC在S/C=2下在750°C恒定电流密度为0.257 A cm-2的条件下稳定运行190 h。(3)直接使用甲烷和二氧化碳作为燃料时,DSC具有厚阳极支撑体,可作为有效的内部甲烷干重整器,实现高甲烷转化率。而且,在内部甲烷重整过程中,无论CO2/CH4比率如何,阳极功能层都没有任何碳沉积;特别时,DSC在CO2/CH4=2下在750°C恒定电流密度为0.2 Acm-2的条件下稳定运行500小时,这表明劣质沼气(甲烷含量低)可有效地用于直接内部干法重整的SOFC发电和生产合成气(CO+H2)。对于CO2/CH4=0.5进料,相对于没有催化剂的情况(?5h稳定运行),通道内放置Ni/YSZ催化剂颗粒(?15h稳定运行),作为电池内重整器,可降低了DSC中支撑阳极中的碳积累速率,潜在地消除了碳沉积在支撑阳极上的风险,可能是一种在碳沉积条件可行且容易的延长电池寿命方法。

黎超群[8](2020)在《直孔对称结构YSZ-LSCrF双相氧分离膜和膜反应器研究》文中研究说明氧离子电子混合导体具有氧渗透性能,可以作为氧分离膜使用,有望用于空气分离制氧和涉氧能源化工过程。本实验室前期的研究表明,Zr0.84Y0.16O1.92-La0.8Sr0.2Cr0.5Fe0.5O3-δ(YSZ-LSCrF)氧离子电子双相复合材料在苛刻的反应器条件下不仅显示出可观的氧渗透率,而且具有满意的化学和力学强度。本文以该材料为基础,研究新型直孔对称结构透氧膜的制备方法、氧渗透性能和基于透氧膜的乙醇和甲烷部分氧化过程,为透氧膜技术的实际应用提供科学和材料基础。第一章首先介绍了透氧膜工作原理、材料体系和膜构型,接着介绍了膜反应器和过程,最后简述了同步辐射真空紫外光电离质谱(Synchrotron vacuum UV photoionization mass spectroscopy,SVUV-PIMS)分析技术及其在反应机理研究中应用。第二章采用相转化流延/叠压/烧结工艺,制备了直孔对称结构YSZ-LSCrF透氧膜。首先将陶瓷粉体浆料和石墨浆料以双层共流延的方式负载于Mylar载带上,然后放入水浴中进行相转化固化,得到的坯体为三层结构:相对致密的皮肤层,指状大孔层和海绵状层。将两片坯体对叠热压,高温烧结后得到梯度复合陶瓷膜,包括一个致密层,起氧分离作用,由于其厚度很小(5μm),对氧渗透的阻力也将大为减少。致密功能层两侧为厚度300μm的多孔层,起力学支撑作用。由于陶瓷坯体海绵层主要成分为石墨,在高温烧结过程中燃烧去除,使得支撑层的指状大孔得以充分暴露,成为开孔。该陶瓷膜显示出相当高的氧渗透速率,900℃时,当膜的一侧通入100 mL min-1的空气,另一侧通入45 mL min-1的CO,氧渗透速率高达1.95 mL(STP)cm-2 min-1。该陶瓷膜经历了 400多次快速升降温(15℃min-1)循环,仍未出现到明显的空气泄漏,其优异的抗热震性能与膜的对称结构有关。本章所发展的直孔对称结构透氧膜制备方法可望用于其它陶瓷膜的制备。第三章研究YSZ-LSCrF双相复合材料的氧渗透过程。氧渗透过程包含表面氧交换和体传输步骤,采用电导弛豫法(Electrical conductivity relaxation,ECR)对前者进行研究。温度为800℃时,测得膜的表面氧交换系数k为9.0 X 10-4 cms-1,对其采用 Sm0.2Ce0.8O2-δ(SDC)纳米粒子修饰,k 值升为 22.5 ×10-4cm s-1。SDC修饰显着减小了表面氧交换过程的活化能,修饰前为116.3 kJ mol-1,修饰后仅为43.3 kJ mol-1。通过改变透氧膜致密层的厚度,调控体扩散阻力,从而研究氧渗透过程的体传输步骤。采用相转化流延/叠压/烧结工艺制备了致密层厚度分别为30 μm、60 μm、90 μm和130 μm的透氧膜。在透氧膜一侧通入空气,另一侧通入高纯He,测试氧渗透性能,发现致密层厚度在130-60 μm范围内变化时,氧渗透速率与厚度成反比,表明氧在致密层中的输运是氧渗透的速控步骤;当厚度从60μm降为30 μm时,氧渗透速率的增加小于线性外推值,表明氧渗透过程变为由体传输和表面氧交换步骤共同控制。在透氧膜一侧通入空气,另一侧通入CO,测试透氧膜在大氧化学势梯度下的氧渗透性能,发现当致密层厚度小于90μm时,氧渗透过程已不再单独由体传输步骤控制,而是与表面氧交换联合控制。第四章研究基于透氧膜的乙醇重整反应器。实验中采用致密层厚度30 μm的直孔对称结构YSZ-LSCrF膜(有效面积5.0 cm2),Ni-Ru/Al2O3催化剂。在膜的一侧通入空气,流速为350 mL min-1,另一侧通入气态乙醇,流速30 mL min-1,乙醇与渗透过来的氧发生部分氧化反应(Partial oxidation of ethanol,POE),800℃时测得乙醇转化率83.5%,H2、CO、CO2、CH4选择性分别为82.6%,81.7%、5.3%、13.0%,合成气(H2+CO)产量 103.1 mL min-1,等效于 20.6 mLmin-1 cm-2(膜面积)。将乙醇和水蒸气共同注入反应器,此时反应器中除了发生POE反应外,还发生乙醇水汽重整。当乙醇流速30 mL min-1,水汽54 mL min-1时,即H2O/Ethanol=1.8,乙醇转化率提升至99.9%,H2、CO、CO2、CH4选择性分别为90.8%、74.6%、17.5%、8.0%,合成气产量提升至 138.7 mL min-1,等效于 27.7 mL min-1 cm-2(膜面积)。调整乙醇及水蒸气混合物注入量,可以调节总反应热效应。当H2O/Ethanol=1.8,混合物注入量65.7 mL min-1时,总反应△H1073K≈0,反应可实现自热维持。将乙醇重整产物作为燃料输入SOFC,750℃时测得最大功率密度为999 mW cm-2,略低于纯氢燃料(1099 mW cm-2),验证了乙醇重整膜反应器作为SOFC外重整器的可行性。第五章研究了基于透氧膜的甲烷重整反应器。实验中采用致密层厚度5 μm的直孔对称结构YSZ-LSCrF膜(有效面积7.8 cm2),Ni-Ru/Al2O3催化剂。在膜的一侧通入空气,流速为350 mL min-1,另一侧通入甲烷。甲烷与渗透过来的氧发生部分氧化反应(Partial oxidation of methane,POM)。考察反应物的碳氧比(O/C)对POM反应的影响。随着甲烷注入量由20mL min-1提升至60 mL min-1,O/C由2.13降至1.03,甲烷转化率由94.4%降至71.9%,而H2和CO选择性分别由60.4%和53.6%增至83.3%和90.2%,目标产物合成气的产量由33.2 mL min-1增大至110.0 mL min-1,分别等效于4.3和14.1 mL min-1 cm-2(膜面积)。固定甲烷注入量60 mL min-1,将水蒸气也注入反应器,发现甲烷转化率和H2选择性均随着水蒸气的加入而上升。当甲烷和水蒸气注入量均为60 ml min-1时,甲烷转化率和氢气选择性分别为96.1%和98.4%。由于水蒸气的加入,反应器中除了发生POM反应外,还发生甲烷水汽重整反应(Steam reforming of methane,SRM),从而提高了甲烷转化率和氢气选择性。水蒸气的加入也有利于减小催化剂积碳。膜反应器在POM-SRM模式下,连续运行120多小时,其产物组成未出现变化,显示出良好的稳定性。第六章采用SVUV-PIMS技术研究POM反应过程。首先研究非催化POM反应。在700℃时,将甲烷和氧气一起注入石英管,发现产物包含以下物种:CH3·、HCHO、CH3OH、C3H4、C3H6、C2H2O、C2H5OH、OH·、H2O、CO 和 CO2。然后在石英管中填充Ni/Al2O3催化剂,进行催化POM反应,发现产物种类与非催化POM反应相同,但是它们的浓度不同,含碳组分特别是HCHO的浓度变大,H2O浓度则变低。增大CH4与O2比值,保持总注入量不变,HCHO含量增大,而CH3OH含量仍然维持很低。据此推测,非催化POM的主反应是CH4裂解,生成碳单质和氢气,而催化POM的主反应是CH3OH脱氢生成HCHO,其再进一步分解为CO和H2,部分H2被进一步氧化为H2O,部分CO进一步发生氧化反应(生成CO2)、歧化反应(生成C+CO2)、水气变换反应(生成CO2+H2)。催化POM的副反应为CH3OH分解(生成CH3·+OH·)、CH3·和CH3OH的反应(生成C2H5OH),其中CH3·可以进一步脱氢(生成CHx)发生一系列复杂的反应(生成C,CH2CO,C3H6,C3H4)。催化POM反应制合成气的速控步骤是HCHO分解。第七章对全文进行了总结,并对后续的研究作了建议和展望。

束莉楠[9](2020)在《直接甲烷固体氧化物燃料电池抗积碳阳极涂层研究》文中研究指明燃料电池作为一种全新的无污染、高安全性、高效率的能量转换方式迅速成为21世纪能源科技领域关注的重点。其中,固体氧化物燃料电池(SOFC)可直接使用碳氢燃料。但是传统的镍基SOFC阳极材料,在直接使用碳氢燃料时,容易在阳极产生积碳,最终导致电池失活。于是,开发并研究新型、高效、稳定的抗积碳阳极材料成为当下研究的重点。然而,全新的材料取代原本的镍基阳极一般都达不到之前的催化效果。因此,在传统的镍基陶瓷基材料的表面再添加一层阳极功能层成为一种可以既不牺牲输出功率又能保证抗积碳效果的有效方法。本文采用以下两种方法设计催化涂层:一、利用碱金属氧化物覆盖阳极表面积碳的酸性位点,提高甲烷催化活性以及抗积碳效果;二、在催化层表面析出纳米合金颗粒,增加钙钛矿材料的氧空位以及三相界面,提高材料的抗积碳能力。通过这两种方法,开发出针对甲烷燃料的阳极功能层催化材料,提高电池抗积碳性能、输出功率和稳定性。主要研究内容包括以下两个部分:1.通过乙二胺四乙酸-柠檬酸(EDTA-CA)联合络合法,制备出氧化物与层状钙钛矿(Ni O-(La Ca)2Ni O4,Ni O-LCNO)的混合物,将混合物作为Ni O-SDC基阳极支撑体电池的催化涂层材料。与Ni O-SDC相比,Ni O-LCNO在甲烷水蒸气重整方面具有更佳的催化活性,并且在稳定性测试过程中,未添加功能层的电池在湿甲烷气氛下活性仅维持13个小时,而添加了功能层的电池在30个小时之后还可以保持恒定的功率输出。所以Ni O-LCNO催化涂层具有更佳的抗积碳效果,且更多的是无定形碳,更易被去除。而在全电池的输出功率与稳定性测试中,添加了Ni O-LCNO功能层的燃料电池在氢气和甲烷气氛下的催化活性均高于未添加该功能层的燃料电池。此外,采用SEM观察稳定性测试后的样品,Ni O-SDC表面上出现的严重的积碳,而Ni O-LCNO表面未观察到明显的积碳。2.合成了Sr2CoxFe1-xMo0.65Ni0.35O6-δ(x=0,0.1,0.2,0.3)系列钙钛矿材料作为功能层修饰传统镍基阳极表面。通过高温氢气气氛还原该功能层,使部分Ni-Co-Fe在催化剂表面析出形成纳米合金颗粒。研究发现,分别以质子或氧离子导体为燃料电池电解质时,该功能层都可以使氢气或甲烷为燃料的电池性能得到提升。但相比较而言,在两种燃料下,以氧离子为电解质的电池提升效果更佳。

张永亮[10](2019)在《甲烷燃料可逆固体氧化物电池性能及稳定性优化研究》文中研究表明固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell,SOFC)具有效率高、污染少及可模块化的优点,可在不同运行模式下实现发电、制氢及CO2转化等功能。将技术较为成熟的Ni/YSZ支撑型纳米阴极电池(一体化电池)应用于碳基燃料发电及储能领域,对于解决日益严峻的能源及环境问题意义重大。但是一体化电池仍然存在诸如电极在不同运行模式下的稳定性及电解模式下电能消耗较高的问题,本文将一方面针对一体化电池存在的问题开展电极稳定性及电池结构优化,另一方面基于优化的电池结构探索其不同的运行模式。首先,从简化电池制备流程角度出发,提出一体化电池抗积碳稳定性优化方案,研究La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ(LSCF)、La0.8Sr0.2Fe O3-δ(LSF)和Gd0.2Ce0.8O2-δ(GDC)修饰对Ni/YSZ电极性能和抗积碳稳定性的影响。结果表明,LSCF和LSF对Ni/YSZ电极性能不利,但是提高了其在CH4下的稳定性,主要是因为其防止积碳破坏三相界面及Ni颗粒,提高了电极微结构稳定性;GDC同时提高了Ni/YSZ的性能和稳定性,主要是因为其增强了电极三相界面活性并抑制了Ni表面积碳。然后,探索了抗积碳SOC在甲烷辅助电解运行模式(CH4-SOEC)。实验结果表明,对于H2/CO2混合气,Ni/YSZ电极易吸附H2分子,钙钛矿电极易吸附H2O/CO2分子;当两电极分别作为CH4-SOEC的阳极和阴极时,电池输出性能达到-0.4 A/cm2@0.4 V-750℃,优于已有研究中采用的对称电极结构电池;相比于传统SOEC,其可降低电能消耗或提高产气速率,且可利用电解副产物O2。基于上述结论,发展了一体化电池循环储能运行模式,即在甲烷燃料SOFC发电和CH4-SOEC电解模式下循环运行,储能的同时实现CO2转化及制合成气。研究表明,电池在不同模式下具有很好的稳定性(400 h),GDC显着提高LSF电极在CO2和空气气氛下的循环再生性质;通过热力学方法对电池转化效率及储放电特性进行了评价,可为电池优化提供指导方向。最后,根据一体化电池在各个运行模式下存在的电极孔隙结构及稳定性问题,将力学性能更好的四方氧化锆多晶(TZP)应用于一体化电池的支撑层,对电池性能及稳定性进行了评价。上述研究有望拓展一体化SOC电池应用范围,有助于推动其走向实际应用。

二、以阳极支撑固体氧化物燃料电池为反应器制合成气(论文开题报告)

(1)论文研究背景及目的

此处内容要求:

首先简单简介论文所研究问题的基本概念和背景,再而简单明了地指出论文所要研究解决的具体问题,并提出你的论文准备的观点或解决方法。

写法范例:

本文主要提出一款精简64位RISC处理器存储管理单元结构并详细分析其设计过程。在该MMU结构中,TLB采用叁个分离的TLB,TLB采用基于内容查找的相联存储器并行查找,支持粗粒度为64KB和细粒度为4KB两种页面大小,采用多级分层页表结构映射地址空间,并详细论述了四级页表转换过程,TLB结构组织等。该MMU结构将作为该处理器存储系统实现的一个重要组成部分。

(2)本文研究方法

调查法:该方法是有目的、有系统的搜集有关研究对象的具体信息。

观察法:用自己的感官和辅助工具直接观察研究对象从而得到有关信息。

实验法:通过主支变革、控制研究对象来发现与确认事物间的因果关系。

文献研究法:通过调查文献来获得资料,从而全面的、正确的了解掌握研究方法。

实证研究法:依据现有的科学理论和实践的需要提出设计。

定性分析法:对研究对象进行“质”的方面的研究,这个方法需要计算的数据较少。

定量分析法:通过具体的数字,使人们对研究对象的认识进一步精确化。

跨学科研究法:运用多学科的理论、方法和成果从整体上对某一课题进行研究。

功能分析法:这是社会科学用来分析社会现象的一种方法,从某一功能出发研究多个方面的影响。

模拟法:通过创设一个与原型相似的模型来间接研究原型某种特性的一种形容方法。

三、以阳极支撑固体氧化物燃料电池为反应器制合成气(论文提纲范文)

(1)沼气燃料固体氧化物燃料电池阳极相关问题综述(论文提纲范文)

0 引言
1 SOFC镍基阳极积碳现象及阳极改性
    1.1 增大极化电流
    1.2 添加另一种金属形成合金
    1.3 修饰阳极表面
    1.4 添加阳极催化层
2 沼气的干重整
    2.1 干重整的必要性
    2.2 沼气干重整制氢
    2.3 干重整反应的催化剂
        2.3.1 活性组分
        2.3.2 载体
        2.3.3 助剂
3 抗积碳干重整催化剂
    3.1 积碳机理
    3.2 SOFC的重整催化剂
4 结语

(2)纳米镍负载的氧化铈基催化剂的制备及其在微管式SOFC上的应用研究(论文提纲范文)

摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
    1.1 前言
    1.2 燃料电池
        1.2.1 燃料电池介绍
        1.2.2 固体氧化物燃料电池
        1.2.3 SOFC燃料选择
    1.3 丙烷重整工艺路线
        1.3.1 丙烷部分氧化重整
        1.3.2 丙烷水蒸气重整
        1.3.3 丙烷二氧化碳重整
    1.4 丙烷重整催化剂的研究
        1.4.1 贵金属催化剂
        1.4.2 非贵金属催化剂
        1.4.3 催化剂载体的研究
        1.4.4 催化剂积碳问题
    1.5 碳氢化合物应用于SOFC
    1.6 本文的研究内容与目的
第二章 实验部分
    2.1 实验药品与仪器设备
    2.2 Ni-CeO_2催化剂的制备
        2.2.1 纳米CeO_2载体的制备
        2.2.2 Ni-CeO_2催化剂的制备
    2.3 实验装置
        2.3.1 固定反应器
        2.3.2 气相色谱
    2.4 催化剂的表征
第三章 Ni-CeO_2催化剂的性能研究
    3.1 催化剂的表征
        3.1.1 XRD及 EDS分析
        3.1.2 SEM分析
        3.1.3 TEM分析
    3.2 制备方法对催化剂性能的影响
    3.3 Ni的负载量对催化剂性能的影响
    3.4 反应温度对催化剂性能的影响
    3.5 Ni-CeO_2与Ni-Al_2O_3催化剂性能对比
    3.6 Ni-CeO_2催化剂除碳再利用
    3.7 小结
第四章 管式固体氧化物燃料电池的研究
    4.1 引言
    4.2 实验部分
        4.2.1 实验药品与设备
        4.2.2 制备过程
    4.3 电池的表征及测试
        4.3.1 电池表征
        4.3.2 电池测试
        4.3.3 温度对电池性能的影响
        4.3.4 阳极燃料流量对电池性能的影响
    4.4 模拟
    4.5 小结
第五章 丙烷部分氧化重整驱动管式固体氧化物燃料电池
    5.1 引言
    5.2 电池测试
    5.3 阳极燃料对电池性能的影响
    5.4 阳极取电方式对电池性能的影响
    5.5 阳极碳沉积分析
    5.6 小结
总结与展望
参考文献
攻读学位期间的成果
致谢

(3)钙钛矿结构对称固体氧化物电池电极材料及性能研究(论文提纲范文)

摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
    1.1 SOFCs和SOECs概述
    1.2 SOFCs和SOECs工作原理
    1.3 SOFCs和SOECs的关键材料
        1.3.1 空气电极材料
        1.3.2 连接体材料
        1.3.3 电解质材料
        1.3.4 燃料极材料
    1.4 固体氧化物电池对称电极材料
        1.4.1 对称电极材料的要求
        1.4.2 对称电极的分类
    1.5 选题依据
    1.6 本文的研究意义和内容
第二章 实验材料制备及其表征方法
    2.1 实验原材料
    2.2 实验材料制备和电池制作
        2.2.1 电解质和电极材料制备
        2.2.2 对称电池的制备
    2.3 表征方法
        2.3.1 X射线衍射(XRD)
        2.3.2 X射线光电子能谱(X-ray photoelectron spectroscopy,XPS)
        2.3.3 氢的程序升温还原(H_2-TPR)和氧的程序升温脱附(O_2-TPD)
        2.3.4 热膨胀系数(TEC)
        2.3.5 电导率
        2.3.6 电化学阻抗及其单电池性能
        2.3.7 透射电子显微镜(TEM)
        2.3.8 扫描电子显微镜(SEM)和能量分散谱仪(EDS)
第三章 固体氧化物燃料电池对称电极LA_(0.6)SR_(0.4)CO_(0.2)FE_(0.7)MO_(0.1)O_3性能研究
    3.1 研究背景及选题依据
    3.2 LSCFM对称电极材料的性能研究
        3.2.1 物相结构和化学兼容性
        3.2.2 XPS分析
        3.2.3 热膨胀和电导率分析
        3.2.4 电化学阻抗
        3.2.5 单电池性能和稳定性
    3.3 本章小结
第四章 原位脱溶金属纳米粒子修饰的对称电极SR_2TI_(1-x)O_xFEO_6(X=0,0.1,0.2,0.3)性能研究
    4.1 前言及选题依据
    4.2 STCF材料的性能研究
        4.2.1 结构分析和化学兼容性
        4.2.2 SEM相TEM分析
        4.2.3 XPS分析
        4.2.4 TPD、TPR、TEC
        4.2.5 电导率和极化阻抗分析
        4.2.6 单电池的电化学性能
        4.2.7 电化学性能稳定性和拉曼分析
        4.2.8 单电池电解性能和稳定性
    4.3 本章小结
第五章 钙钛矿结构PRBAFE_(2-x)CO_xO_(5+△)(X=0,02,0.4)对称电极材料性能研究
    5.1 选题背景及依据
    5.2 PBFC材料的性能研究
        5.2.1 物相结构和化学兼容性
        5.2.2 XPS和TPD、TPR测试
        5.2.3 电导率和极化阻抗分析
        5.2.4 SOFCs模式下的电化学性能和稳定性
        5.2.5 SOECs模式下的电化学性能和稳定性
    5.3 本章小结
第六章 结论与展望
    6.1 结论
    6.2 展望
参考文献
作者简介及科研成果
博士在读期间发表的学术论文
致谢

(4)金属镍非对称中空纤维膜的制备与氢分离/制氢性能研究(论文提纲范文)

学位论文主要创新点
摘要
abstract
绪论
第一章 文献综述
    1.1 氢气的性质与应用
    1.2 氢气的制取与分离
        1.2.1 氢气的制取
        1.2.1.1 生物质制氢
        1.2.1.2 水解制氢
        1.2.1.3 化石燃料制氢
        1.2.2 氢气的分离
        1.2.2.1 深冷分离法
        1.2.2.2 变压吸附法
        1.2.2.3 膜分离法
    1.3 膜分离制氢
        1.3.1 膜分离材料
        1.3.1.1 多孔膜
        1.3.1.2 致密膜
        1.3.2 膜反应器制氢
    1.4 金属镍中空纤维膜的研究进展
        1.4.1 金属镍多孔膜
        1.4.2 金属镍致密膜
        1.4.3 金属镍中空纤维膜的制备方法与结构影响因素
        1.4.3.1 金属镍中空纤维膜的制备方法
        1.4.3.2 金属镍中空纤维膜结构影响因素
    1.5 本文的研究思路与研究内容
第二章 金属镍中空纤维膜的制备及高温氢气分离性能研究
    2.1 引言
    2.2 实验部分
        2.2.1 实验试剂与仪器
        2.2.2 金属镍中空纤维膜的制备
        2.2.3 金属镍膜氢气分离性能测试
        2.2.4 表征方法
    2.3 结果与讨论
        2.3.1 金属镍中空纤维膜的形貌分析
        2.3.2 金属镍中空纤维膜从重整气中分离氢气
        2.3.3 金属镍中空纤维膜氢气分离的稳定性
    2.4 本章小结
第三章 非对称结构金属镍中空纤维膜制备与透氢性能研究
    3.1 引言
    3.2 实验部分
        3.2.1 实验试剂与仪器
        3.2.2 非对称结构金属镍中空纤维膜的制备
        3.2.3 非对称结构金属镍中空纤维膜的透氢性能测试
        3.2.4 表征方法
    3.3 非对称结构金属镍中空纤维膜的透氢模型
    3.4 结果讨论
        3.4.1 非对称结构金属镍中空纤维膜的形貌分析
        3.4.2 非对称结构金属镍中空纤维膜孔隙率与机械强度的测试
        3.4.3 非对称结构金属镍中空纤维膜的氢气渗透性能
    3.5 本章小结
第四章 非对称结构金属镍中空纤维膜中水煤气变换制氢
    4.1 前言
    4.2 实验部分
        4.2.1 实验试剂与仪器
        4.2.2 非对称金属镍中空纤维膜的制备
        4.2.3 水煤气变换反应制氢实验
    4.3 结果讨论
        4.3.1 非对称结构金属镍中空纤维膜的形貌分析
        4.3.2 非对称结构金属镍中空纤维膜的透氢性能
        4.3.3 非对称结构金属镍膜中水煤气变换反应制氢
    4.4 本章小结
第五章 非对称结构金属镍中空纤维膜中CO_2制合成气研究
    5.1 引言
    5.2 实验部分
        5.2.1 实验试剂与仪器
        5.2.2 非对称结构金属镍中空纤维膜的制备
        5.2.3 非对称结构的金属镍膜RWGS反应测试
        5.2.4 表征
    5.3 结果讨论
        5.3.1 非对称结构金属镍中空纤维膜的形貌分析
        5.3.2 非对称结构金属镍中空纤维膜的透氢性能
        5.3.3 非对称结构金属镍中空纤维膜中逆水煤气反应
        5.3.4 金属镍中空纤维膜的稳定性测试
    5.4 本章小结
第六章 非对称金属镍中空纤维膜反应器中甲烷蒸汽重整制氢研究
    6.1 引言
    6.2 实验部分
        6.2.1 实验试剂与仪器
        6.2.2 非对称结构金属镍中空纤维膜的制备
        6.2.3 非对称金属镍膜的氢气渗透测试以及甲烷重整反应实验
        6.2.4 表征
    6.3 结果与讨论
        6.3.1 非对称金属镍中空纤维膜的形貌分析
        6.3.2 非对称金属镍中空纤维膜的氢气渗透性能
        6.3.3 非对称金属镍中空纤维膜催化甲烷重整制氢性能
        6.3.4 非对称金属镍中空纤维膜反应器的甲烷重整制氢
        6.3.5 甲烷水蒸气重整制氢稳定性测试
    6.4 本章小结
第七章 外支撑非对称结构金属镍中空纤维膜的制备及其微结构调控
    7.1 引言
    7.2 实验部分
        7.2.1 实验试剂与仪器
        7.2.2 外支撑非对称结构金属镍中空纤维膜的制备
        7.2.3 外支撑非对称结构金属镍中空纤维膜透氢性能测试
        7.2.4 表征
    7.3 结果与讨论
        7.3.1 外部溶剂对金属镍膜结构的影响
        7.3.1.1 金属镍中空纤维膜的形貌
        7.3.1.2 金属镍中空纤维的孔隙率和机械强度
        7.3.1.3 氢气的渗透性能
        7.3.2 空气距对金属镍膜结构的影响
        7.3.2.1 金属镍中空纤维膜的形貌
        7.3.2.2 金属镍中空纤维膜的氢气渗透性能
        7.3.3 烧结温度对金属镍膜结构的影响
        7.3.3.1 金属镍中空纤维膜的形貌
        7.3.3.2 金属镍中空纤维膜的透氢性能
    7.4 本章小结
第八章 外支撑金属镍中空纤维膜催化改性与甲烷制氢性能研究
    8.1 前言
    8.2 实验部分
        8.2.1 实验试剂与仪器
        8.2.2 外支撑金属镍中空纤维膜的制备
        8.2.3 外支撑金属镍中空纤维膜的催化改性
        8.2.4 外支撑金属镍膜甲烷重整制氢反应测试
        8.2.5 外支撑金属镍中空纤维膜的表征
    8.3 结果讨论
        8.3.1 改性后金属镍中空纤维膜形貌分析
        8.3.2 改性后金属镍中空纤维膜用于甲烷蒸汽重整制氢
    8.4 本章小结
第九章 结论与展望
    9.1 结论
    9.2 展望
参考文献
发表论文和参加科研情况
附录
致谢

(5)镍基阳极材料及单部件固体氧化物燃料电池(论文提纲范文)

摘要
abstract
第1章 绪论
    1.1 燃料电池概述
        1.1.1 燃料电池发展简史
        1.1.2 燃料电池的分类
    1.2 SOFC简介
        1.2.1 SOFC的工作原理
        1.2.2 燃料电池发展简史
        1.2.3 SOFC的优点
        1.2.4 SOFC的效率
    1.3 SOFC的关键材料
        1.3.1 电解质材料
        1.3.2 阴极材料
        1.3.3 阳极材料
    1.4 SOFC的发展趋势
        1.4.1 降低操作温度
        1.4.2 碳氢化合物作为燃料的使用
        1.4.3 单部件燃料电池的发展
    1.5 本文的研究意义与研究内容
第2章 水热合成NiO-Ce_(0.8)Sm_(0.2)O_(1.9)纳米复合物用作中温SOFC的阳极材料
    2.1 引言
    2.2 实验
        2.2.1 材料的制备
        2.2.2 材料的表征
        2.2.3 电导率测试
        2.2.4 电化学阻抗测试
        2.2.5 I-V曲线和稳定性测试
    2.3 结果和讨论
        2.3.1 材料的表征
        2.3.2 电导率测试
        2.3.3 单电池的性能
        2.3.4 单电池的稳定性
        2.3.5 碳沉积分析
    2.4 本章小结
第3章 抗积碳Nb Ox-Ni-Ce_(0.8)Sm_(0.2)O_(1.9)阳极材料在以甲醇为燃料的中温SOFC的应用
    3.1 引言
    3.2 实验
        3.2.1 材料的制备
        3.2.2 材料的表征
        3.2.3 单电池的制备和测试
    3.3 结果和讨论
        3.3.1 材料的表征
        3.3.2 单电池的性能
        3.3.3 单电池的稳定性
        3.3.4 碳沉积分析
    3.4 本章小结
第4章 Ni-La_(0.8)Sr_(0.2)Fe O_3复合阳极材料在合成气为燃料的SOFC的应用
    4.1 引言
    4.2 实验
        4.2.1 材料的制备
        4.2.2 材料的表征
        4.2.3 I-V曲线和稳定性测试
    4.3 结果和讨论
        4.3.1 材料的表征
        4.3.2 单电池的性能
        4.3.3 单电池的稳定性
        4.3.4 碳沉积分析
    4.4 本章小结
第5章 基于Li_(0.15)Ni_(0.45)Zn_(0.4)O和掺杂二氧化铈-碳酸盐构成的单部件燃料电池的研究
    5.1 引言
    5.2 实验
        5.2.1 材料的制备
        5.2.2 材料的表征
        5.2.3 电导率测试
        5.2.4 SLFC的制备和性能测试
    5.3 结果和讨论
        5.3.1 材料的表征
        5.3.2 电导率测试
        5.3.3 单电池的性能
    5.4 本章小结
第6章 结论与展望
    6.1 结论
    6.2 展望
参考文献
发表论文和参加科研情况说明
致谢

(6)甲烷水汽重整动力学研究及抗积碳催化剂设计(论文提纲范文)

摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
    1.1 甲烷水汽重整(SMR)简介
    1.2 工业制氢
    1.3 碳基固体氧化物燃料电池
    1.4 SMR的研究历史及现状
    1.5 本章小结
第2章 甲烷水汽重整(SMR)微观反应动力学
    2.1 背景及意义
    2.2 理论方法介绍
        2.2.1 密度泛函理论
        2.2.2 过渡态理论
        2.2.3 过渡态搜索方法
        2.2.4 配分函数及其计算方法
        2.2.5 反应器模型
    2.3 过渡态搜索
        2.3.1 结构优化
        2.3.2 过渡态搜索
        2.3.3 SMR部分反应路径能量
    2.4 微观动力学模型
        2.4.1 基元反应速率常数
        2.4.2 SMR基元反应参数
        2.4.3 SMR微观动力学与实验的比较
    2.5 本章小结
第3章 甲烷水汽重整(SMR)宏观速率方程
    3.1 微观动力学简化
        3.1.1 速控步骤
        3.1.2 流量分析及动力学简化
    3.2 宏观速率方程推导
        3.2.1 速率方程推导
        3.2.2 表面活化位浓度
    3.3 速率方程的验证
    3.4 SMR动力学性质及活化能
        3.4.1 甲烷的反应级数
        3.4.2 水和氢气的反应级数
        3.4.3 速率方程的变体
        3.4.4 SMR表观活化能
    3.5 本章小结
第4章 甲醇水汽重整(MeSR)动力学及氢键催化作用
    4.1 研究意义及背景
    4.2 MeSR动力学
        4.2.1 MeSR微观动力学及流量分析
        4.2.2 MeSR宏观速率方程推导
    4.3 MeSR中的氢键催化作用
    4.4 本章小结
第5章 深度学习(DL)加速的抗积碳SMR催化剂设计
    5.1 研究背景及意义
        5.1.1 SMR催化剂积碳介绍
        5.1.2 催化剂设计的现状
    5.2 理论及方法介绍
        5.2.1 DL介绍
        5.2.2 linear-scaling关系和BEP关系
    5.3 SMR活性描述符
        5.3.1 速率方程
        5.3.2 SMR中的线性关系
        5.3.3 SMR活性火山图
    5.4 基于DL的SMR合金催化剂活性预测
        5.4.1 数据库建立
        5.4.2 神经网络训练
        5.4.3 神经网络预测
    5.5 材料筛选及目标材料性质分析
        5.5.1 材料筛选
        5.5.2 目标合金性质分析
    5.6 本章小结
第6章 总结及展望
参考文献
附录A 活性预测结果及筛选过程
致谢
在读期间发表的学术论文与取得的研究成果

(7)基于甲烷的中空对称双阴极固体氧化物燃料电池的发电性能研究(论文提纲范文)

摘要
Abstract
第一章 绪论
    1.1 课题研究背景
    1.2 燃料电池简介
    1.3 固体氧化物燃料电池概述
        1.3.1 SOFC特点和优势
        1.3.2 SOFC工作原理
        1.3.3 SOFC理论电动势与性能
    1.4 SOFC的关键材料
        1.4.1 阳极材料
        1.4.2 电解质材料
        1.4.3 阴极材料
    1.5 SOFC结构设计
    1.6 SOFC的燃料类型
        1.6.1 传统燃料H_2
        1.6.2 碳氢化合物燃料
    1.7 甲烷燃料在SOFC中的应用
        1.7.1 甲烷的直接电化学氧化
        1.7.2 甲烷的外部重整
        1.7.3 甲烷的内部重整
    1.8 SOFC衰减研究概述
        1.8.1 SOFC常规条件下衰减行为
        1.8.2 SOFC Ni基阳极应用于碳氢燃料时的积碳行为及相关的解决方法
    1.9 本论文的研究目的与内容
        1.9.1 研究目的
        1.9.2 研究内容
第二章 实验原料、设备与测试方法
    2.1 实验原料及仪器设备
        2.1.1 实验原料
        2.1.2 实验仪器及设备
    2.2 样品的制备
        2.2.1 单电池的制备、集流、组装与密封
        2.2.2 单电池测试设备
    2.3 研究和表征方法
        2.3.1 扫描电子显微镜(SEM)及电子能谱(EDS)
        2.3.2 气相色谱仪(GC)
        2.3.3 电化学性能测试
        2.3.4 电化学交流阻抗谱测试
        2.3.5 孔隙率测试
        2.3.6 拉曼光谱分析测试(Raman)
第三章 基于对称双阴极结构SOFC的氢气发电性能及长期稳定性研究
    3.1 引言
    3.2 实验过程
        3.2.1 DSC电池的装配
        3.2.2 DSC电池的测试过程
    3.3 结果和讨论
        3.3.1 H_2-DSC电化学性能
        3.3.2 H_2-DSC稳定性测试及分析
        3.3.3 电池恒流放电后的微观结构和成分分析
    3.4 小结
第四章 基于对称双阴极结构SOFC的直接甲烷水蒸气重整的性能及长期稳定性研究
    4.1 引言
    4.2 实验过程
        4.2.1 DSC电池的装配
        4.2.2 DSC电池的测试过程
    4.3 结果和讨论
        4.3.1 DSC对CH_4-H_2O重整的催化性能
        4.3.2 CH_4-H_2O-DSC电化学性能
        4.3.3 CH_4-H_2O-DSC稳定性测试及分析
        4.3.4 电池恒流放电后的微观结构和成分分析
    4.4 小节
第五章 基于对称双阴极结构SOFC的直接甲烷干重整的性能及长期稳定性研究
    5.1 引言
    5.2 实验过程
        5.2.1 DSC电池的装配
        5.2.2 DSC电池的测试过程
    5.3 结果和讨论
        5.3.1 DSC对CH_4-CO_2重整的催化性能
        5.3.2 CH_4-CO_2-DSC电化学性能
        5.3.3 CH_4-CO_2-DSC电池稳定性测试及分析
        5.3.4 电池恒流放电后的微观结构和成分分析
    5.4 小结
第六章 结论与展望
参考文献
致谢
攻读学位期间的研究成果

(8)直孔对称结构YSZ-LSCrF双相氧分离膜和膜反应器研究(论文提纲范文)

摘要
Abstract
第一章 绪论
    1.1 氧分离技术和陶瓷透氧膜
        1.1.1 常见的氧分离工艺及其原理
        1.1.2 陶瓷透氧膜材料
    1.2 陶瓷透氧膜结构设计
        1.2.1 管式/中空纤维透氧膜
        1.2.2 平板型透氧膜
    1.3 基于陶瓷透氧膜的膜反应器
        1.3.1 部分氧化重整膜反应器
        1.3.2 部分氧化重整耦合水汽重整
        1.3.3 H_2O/CO_2分解与部分氧化重整耦合
    1.4 SVUV-PIMS技术在重整机理研究中的应用
        1.4.1 SVUV-PIMS技术简介
        1.4.2 SVUV-PIMS的应用
    1.5 本文的研究思路和主要内容
    参考文献
第二章 直孔对称结构YSZ-LSCrF透氧膜的制备和研究
    2.1 引言
    2.2 实验
        2.2.1 透氧膜制备及表征
        2.2.2 氧渗透性能测试
    2.3 结果
    2.4 讨论
    2.5 本章小结
    参考文献
第三章 直孔对称结构YSZ-LSCrF平板膜氧渗透过程研究
    3.1 引言
    3.2 实验
        3.2.1 样品制备和表征
        3.2.2 ECR法测定表面氧交换系数
        3.2.3 氧渗透性能测试
    3.3 结果与讨论
        3.3.1 样品微观形貌
        3.3.2 表面氧交换过程
        3.3.3 氧渗透过程
    3.4 本章小结
    参考文献
第四章 直孔对称结构透氧膜乙醇重整反应器研究
    4.1 引言
    4.2 实验
        4.2.1 制备和表征
        4.2.2. 氧渗透及乙醇重整过程研究
        4.2.3 乙醇重整产物为燃料的SOFC
    4.3 结果
        4.3.1 样品的组成和微观形貌
        4.3.2 氧渗透和膜反应器性能
        4.3.3 乙醇重整产物为燃料的SOFC
    4.4 讨论
    4.5 本章小结
    参考文献
第五章 直孔对称结构透氧膜甲烷重整反应器研究
    5.1 引言
    5.2 实验
    5.3 结果
    5.4 讨论
    5.5 本章小结
    参考文献
第六章 同步辐射真空紫外光电离质谱研究甲烷重整机理
    6.1 引言
    6.2 实验
        6.2.1 催化剂制备
        6.2.2 甲烷部分氧化机理研究
    6.3 结果
        6.3.1 催化/非催化POM反应研究
        6.3.2 C/O对POM反应的影响
    6.4 讨论
    6.5 本章小结
    参考文献
第七章 总结和展望
    7.1 全文总结
    7.2 后续研究建议
附录
致谢
在读期间发表的学术论文

(9)直接甲烷固体氧化物燃料电池抗积碳阳极涂层研究(论文提纲范文)

摘要
abstract
第一章 绪论
    1.1 引言
    1.2 固体氧化物燃料电池的概述
        1.2.1 固体氧化物燃料电池的工作原理
        1.2.2 固体氧化物燃料电池的阳极部分
    1.3 固体氧化物燃料电池的燃料类型
        1.3.1 传统燃料H_2
        1.3.2 碳氢化合物
        1.3.3 氮磷燃料
        1.3.4 其他可燃物质
    1.4 甲烷重整合成气的制备方法
        1.4.1 甲烷水蒸气重整制合成气
        1.4.2 甲烷二氧化碳干重整制合成气
        1.4.3 甲烷部分氧化制合成气
        1.4.4 甲烷自热氧化制合成气
    1.5 传统镍基阳极固体氧化物燃料电池存在的问题及相关解决办法
        1.5.1 存在的问题
        1.5.2 相关解决办法
    1.6 本论文的研究意义、研究思路和主要内容
        1.6.1 研究意义
        1.6.2 研究思路及主要内容
第二章 实验部分
    2.1 实验药品及仪器设备
        2.1.1 实验药品
        2.1.2 实验仪器设备
    2.2 粉体制备
    2.3 电池的制备
        2.3.1 浆料的准备
        2.3.2 阳极支撑体电池
        2.3.3 浆料喷涂
        2.3.4 电池测试前准备工作
    2.4 表征方法
        2.4.1 X射线衍射(XRD)
        2.4.2 热重分析(TG-MS)
        2.4.3 扫描电子显微镜(SEM)
        2.4.4 透射电子显微镜(TEM)
        2.4.5 X射线光电子能谱(XPS)
        2.4.6 氧气程序升温氧化(O_2-TPO)
        2.4.7 电导率
    2.5 电化学性能测试
        2.5.1 单电池测试
        2.5.2 催化活性的测试
        2.5.3 稳定性测试
第三章 层状钙钛矿 NiO-(LaCa)_2NiO_4 阳极涂层对镍基阳极的抗积碳影响
    3.1 引言
    3.2 材料设计与合成
    3.3 结果与讨论
        3.3.1 材料表征
        3.3.2 催化活性测试
        3.3.3 形貌分析
        3.3.4 热重分析
        3.3.5 积碳速率测试
        3.3.6 单电池性能测试
        3.3.7 稳定性测试
    3.4 小结
第四章 Sr_2Co_xFe_(1-x)Mo_(0.65)Ni_(0.35)O_(6-δ)(x= 0, 0.1,0.2,0.3)钙钛矿阳极涂层的抗积碳研究
    4.1 引言
    4.2 材料设计与合成
    4.3 结果与讨论
        4.3.1 相结构分析
        4.3.2 形貌分析
        4.3.3 合金分析
        4.3.4 催化活性测试
        4.3.5 单电池形貌表征
        4.3.6 电导率测试
        4.3.7 单电池性能测试
        4.3.8 单电池稳定性测试
    4.4 小结
第五章 总结和展望
    5.1 总结
    5.2 展望
参考文献
致谢
在学期间的研究成果及发表的学术论文

(10)甲烷燃料可逆固体氧化物电池性能及稳定性优化研究(论文提纲范文)

摘要
abstract
第1章 绪论
    1.1 课题背景及意义
    1.2 固体氧化物燃料电池技术
        1.2.1 运行模式及原理
        1.2.2 常用材料及结构
        1.2.3 SOFC应用现状
    1.3 SOFC结构优化、电极稳定性及运行模式研究进展
        1.3.1 电池结构及制备工艺
        1.3.2 Ni/YSZ抗积碳稳定性优化
        1.3.3 SOEC及 CH_4辅助电解电极稳定性研究
        1.3.4 循环储电模式研究
    1.4 本课题研究内容及意义
第2章 Ni/YSZ修饰氧化物抗积碳稳定性研究
    2.1 本章引论
    2.2 实验介绍
        2.2.1 电池制备
        2.2.2 电池测试及表征
    2.3 理论研究方法
        2.3.1 阻抗谱分析方法
        2.3.2 密度泛函理论计算方法
    2.4 LSCF对阳极性能的影响机制
        2.4.1 物相分析和电极微观形貌
        2.4.2 H_2气氛中电化学性能
        2.4.3 CH_4气氛中电化学性能及稳定性
    2.5 LSF和 GDC对阳极性能的影响机制
        2.5.1 物相分析和电极微观形貌
        2.5.2 H_2气氛中电化学性能
        2.5.3 CH_4气氛中电化学性能及稳定性
        2.5.4 Ni/YSZ修饰氧化物抗积碳机理
    2.6 本章小结
第3章 CH_4辅助电解特性研究
    3.1 引言
    3.2 研究方法及过程
        3.2.1 电池制备
        3.2.2 电池测试
    3.3 电极稳定性及运行模式
        3.3.1 纳米钙钛矿电极
        3.3.2 YSZ-LSF在 H_2O和 Air下的循环特性
    3.4 CH_4-SOEC性能及稳定性
        3.4.1 CH_4-SOEC热力学分析
        3.4.2 CH_4-SOEC电极选择
        3.4.3 GDC-Ni/YSZ||YSZ||YSZ-LSF电池CH_4-SOEC性能
    3.5 本章小结
第4章 电池循环储放电特性研究
    4.1 引言
    4.2 工作原理及实验方法
        4.2.1 CH_4-SOC储电及制合成气方法
        4.2.2 电池制备及测试方法
    4.3 不同模式下电池电化学性能及稳定性
        4.3.1 SOFC性能
        4.3.2 CH_4-SOFC性能
        4.3.3 不同模式下的稳定性
    4.4 储放电过程热力学评价
        4.4.1 以CO_2为电解介质的CH_4-SOC过程分析
        4.4.2 以H_2O为电解介质的CH_4-SOC可行性分析
    4.5 本章小结
第5章 Ni/TZP支撑薄膜电池结构设计及性能评价
    5.1 本章引论
    5.2 电池结构设计和制备工艺
        5.2.1 结构设计
        5.2.2 制备工艺
    5.3 实验方法
    5.4 Ni/TZP电池电化学性能
        5.4.1 形貌分析及H_2气氛中电化学性能
        5.4.2 H_2气氛中稳定性
    5.5 本章小结
第6章 总结与展望
    6.1 全文总结
    6.2 特色与创新点
    6.3 工作建议与展望
参考文献
致谢
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果

四、以阳极支撑固体氧化物燃料电池为反应器制合成气(论文参考文献)

  • [1]沼气燃料固体氧化物燃料电池阳极相关问题综述[J]. 姚瑶,蔡佩君,王绍荣. 陶瓷学报, 2021(04)
  • [2]纳米镍负载的氧化铈基催化剂的制备及其在微管式SOFC上的应用研究[D]. 郭劲. 广东工业大学, 2021
  • [3]钙钛矿结构对称固体氧化物电池电极材料及性能研究[D]. 卢春玲. 吉林大学, 2020(03)
  • [4]金属镍非对称中空纤维膜的制备与氢分离/制氢性能研究[D]. 王明明. 天津工业大学, 2020(01)
  • [5]镍基阳极材料及单部件固体氧化物燃料电池[D]. 姚雪利. 天津大学, 2020(01)
  • [6]甲烷水汽重整动力学研究及抗积碳催化剂设计[D]. 柯昌明. 中国科学技术大学, 2020(01)
  • [7]基于甲烷的中空对称双阴极固体氧化物燃料电池的发电性能研究[D]. 张华. 江西理工大学, 2020(01)
  • [8]直孔对称结构YSZ-LSCrF双相氧分离膜和膜反应器研究[D]. 黎超群. 中国科学技术大学, 2020(06)
  • [9]直接甲烷固体氧化物燃料电池抗积碳阳极涂层研究[D]. 束莉楠. 南京航空航天大学, 2020
  • [10]甲烷燃料可逆固体氧化物电池性能及稳定性优化研究[D]. 张永亮. 清华大学, 2019(02)

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以阳极支撑的固体氧化物燃料电池为反应器生产合成气
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