本文關(guān)鍵詞：固體氧化物燃料電池脫硝性能研究

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【摘要】：NOx作為火電廠和平板玻璃工業(yè)排放的主要污染物,嚴(yán)重危害人類健康,如何高效率除硝、且不產(chǎn)生二次污染,成為人類刻不容緩的課題。從熱力學(xué)上來說,NO直接分解為N2和O2的傾向性很大(△rGm=-86.6 KJ/mol),但從動(dòng)力學(xué)角度來說,該反應(yīng)需要克服較大的活化能(364 KJ/mol)。因此,NO的直接分解需要借助一定的催化劑。目前電廠等應(yīng)用的脫硝方式主要分為選擇性催化還原(SCR)和非選擇性催化還原(SNCR)。SCR法成本過高,還原劑NH3具有危險(xiǎn)性且量不容易控制,脫硝效率最高達(dá)90%,不能完全脫除：SNCR脫硝效率在80%左右,缺點(diǎn)是會(huì)有副產(chǎn)物有毒氣體N20產(chǎn)生,且過程不易控制。因此新的脫硝方式需要被引進(jìn),貴金屬、分子篩、鈣鈦礦材料均是有效的直接催化分解NO的催化劑,同樣面臨著三大挑戰(zhàn)：一是成本過高；二是催化劑易中毒：三是催化劑工作溫度過高。因此,為了能夠高效脫硝,我們需要一種新型高效的催化劑體系。固體氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell:SOFC)是一種將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的新型能源電池,能量轉(zhuǎn)化效率高,污染小,結(jié)構(gòu)簡單,適用范圍廣。目前,固體氧化物燃料電池的工作溫度可低至700-800℃,這使其成本大大降低,應(yīng)用范圍得到很大拓展。SOFC被當(dāng)做一種新型催化劑體系用來脫硝方面的研究,并取得了良好進(jìn)展。研究認(rèn)為氧空位在NO的催化分解反應(yīng)中起重要作用,NO分解活性與氧空位的濃度有關(guān)。我們認(rèn)為,SOFC電池結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的電勢(shì)差可以增加LSM、LSCF等復(fù)合陰極材料的氧空位,提高氧空位的活性,從而提高脫硝效率。本論文分別通過流延和噴霧制備得到SOFC復(fù)合陽極和陽極功能層Ni-YSZ;通過濕法噴霧制備得到致密電解質(zhì)YSZ(氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯)；通過絲網(wǎng)印刷制備得到復(fù)合陰極材料LSM-YSZ/LSM,構(gòu)成完整SOFC脫硝結(jié)構(gòu)。探討了YSZ球磨方式、球磨速度對(duì)其粉體粒徑的影響,進(jìn)一步探討了YSZ球磨尺寸大小對(duì)電解質(zhì)致密度的影響,得出了通過高能球磨并提高球磨轉(zhuǎn)速(400r/min)來提高YSZ電解質(zhì)陶瓷致密度的結(jié)論。在高溫爐上將SOFC與NO尾氣檢測(cè)儀巧妙連接,建立脫硝測(cè)試平臺(tái)。巧妙設(shè)置對(duì)照試驗(yàn),陽極表面通入H2,陰極表面通入NO-N2載氣,通過對(duì)照驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)SOFC可大大提高NO分解速率,400℃可完全分解80 sccm的NO,700℃可完全分解800 sccm的NO；通過多次重復(fù)測(cè)量,得出溫度、NO載氣流速、還原時(shí)間、H2封閉體系及氫氣的持續(xù)存在對(duì)NO分解均產(chǎn)生重要影響的結(jié)論。通過絲網(wǎng)印刷制備得到不同的陰極材料：LSM-YSZ、LSM、LSGF。通過多次重復(fù)測(cè)量,發(fā)現(xiàn)SOFC催化體系上不同陰極材料催化分解NO的能力不同。700℃下LSM效果最好,400℃下LSGF效果最好。
【關(guān)鍵詞】：固體氧化物燃料電池 脫硝 絲網(wǎng)印刷 濕法噴霧 復(fù)合陽極 復(fù)合陰極YSZ 相鄰氧空位 三相界面 封閉體系 致密度 高能球磨 催化體系
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TM911.4
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第一章 緒論12-28
• 1.1 氮氧化物12-13
• 1.1.1 氮氧化物的產(chǎn)生與危害12
• 1.1.2 氮氧化物的防護(hù)與控制12-13
• 1.2 直接催化分解法13-18
• 1.2.1 NO直接分解的理論及實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)13-14
• 1.2.2 NO直接分解的催化劑分類14-16
• 1.2.3 直接催化分解NO的反應(yīng)機(jī)理16-18
• 1.3 SOFC催化分解NO18-25
• 1.3.1 燃料電池簡介18-20
• 1.3.2 SOFC的結(jié)構(gòu)及工作原理20-22
• 1.3.3 SOFC分解NO機(jī)理22-25
• 1.4 本論文研究內(nèi)容25-28
• 第二章 實(shí)驗(yàn)方案與研究方法28-36
• 2.1 噴霧流延制備SOFC陽極28-30
• 2.1.1 實(shí)驗(yàn)裝置與原料準(zhǔn)備28-29
• 2.1.2 NiO-YSZ陽極功能層制備過程29
• 2.1.3 SOFC陽極生坯制備過程29
• 2.1.4 SOFC陽極生坯的干燥和燒結(jié)過程29-30
• 2.2 濕粉噴霧制備YSZ電解質(zhì)30-31
• 2.2.1 實(shí)驗(yàn)裝置與原料準(zhǔn)備30
• 2.2.2 YSZ電解質(zhì)薄膜制備過程30-31
• 2.3 絲網(wǎng)印刷制備LSM-YSZ/LSM復(fù)合陰極31-33
• 2.3.1 實(shí)驗(yàn)裝置與原料準(zhǔn)備31-32
• 2.3.2 SOFC復(fù)合陰極材料LSM-YSZ/LSM制備過程32-33
• 2.4 SOFC單電池脫硝實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建及測(cè)試33-34
• 2.4.1 實(shí)驗(yàn)儀器與材料準(zhǔn)備33
• 2.4.2 SOFC脫硝單電池的制備33-34
• 2.4.3 SOFC脫硝單電池實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建34
• 2.5 SEM觀測(cè)電池片塊樣及粉樣微觀形貌34-36
• 2.5.1 SEM塊樣制備35
• 2.5.2 SEM粉樣制備35-36
• 第三章 高能球磨粉體對(duì)制備電解質(zhì)和復(fù)合陰極的影響36-42
• 3.1 引言36
• 3.2 球磨方式對(duì)YSZ粉體尺寸的影響36-39
• 3.2.1 高能球磨與普通球磨對(duì)比36-37
• 3.2.2 球磨轉(zhuǎn)速對(duì)粉體尺寸的影響37-39
• 3.3 粉體尺寸對(duì)電解質(zhì)制備的影響39
• 3.4 本章結(jié)論39-42
• 第四章 影響NiO-YSZ/YSZ/LSM-YSZ/LSM電池片分解NO的因素42-48
• 4.1 引言42-43
• 4.2 NiO-YSZ/YSZ/LSM-YSZ/LSM電池片脫硝的驗(yàn)證試驗(yàn)43-44
• 4.2.1 SOFC分解NO的探索性實(shí)驗(yàn)43
• 4.2.2 SOFC分解NO的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)43-44
• 4.3 SOFC分解NO的影響因素44-46
• 4.3.1 還原時(shí)間對(duì)SOFC催化分解NO的影響44-45
• 4.3.2 流速對(duì)SOFC催化分解NO的影響45
• 4.3.3 H_2密封體系對(duì)SOFC催化分解NO的影響45-46
• 4.3.4 H_2的持續(xù)存在對(duì)SOFC催化分解NO的影響46
• 4.4 本章結(jié)論46-48
• 第五章 不同復(fù)合陰極材料脫硝對(duì)比48-54
• 5.1 引言48-49
• 5.2 相同襯底不同陰極材料脫硝對(duì)比49-51
• 5.2.1 LSM(5層)、LSM-YSZ(2層)/LSM(3層)、LSM-YSZ(5層)脫硝對(duì)比49-50
• 5.2.2 LSM和LSCF脫硝對(duì)比50-51
• 5.3 LSM和LSCF脫硝性能與溫度的關(guān)系51-52
• 5.4 本章結(jié)論52-54
• 第六章 結(jié)論54-56
• 參考文獻(xiàn)56-64
• 致謝64-65
• 攻讀碩士學(xué)位期間取得的研究成果65

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本文編號(hào)：1002005