固體氧化物燃料電池(SOFCs)有望成為未來可再生能源發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù),與其他燃料電池或能量轉(zhuǎn)換裝置相比,SOFC具有許多顯著的優(yōu)勢,比如固體氧化物燃料電池使用固態(tài)電解質(zhì),全固態(tài)組件(沒有移動部件)、能夠規(guī)避貴金屬的使用、效率高、低污染、燃料適應(yīng)性強等。然而,在實際應(yīng)用中,進料流中不可避免地會進入硫化物,產(chǎn)生H2S氣體,進而分解成單質(zhì)硫,導致陽極催化劑硫中毒,從而影響SOFC的長期穩(wěn)定性,阻礙SOFC的商業(yè)化發(fā)展。本文利用第一性原理方法,結(jié)合從頭算原子熱力學方法(ab initio atomistic thermodynamics method)(用以計入環(huán)境溫度和氣體分壓的影響),并從原子層次和電子結(jié)構(gòu)方面對IB族(金、銀和銅)Ni基合金體系的硫中毒現(xiàn)象進行系統(tǒng)的研究,探究了鎳基合金對固體氧化物燃料電池陽極硫中毒的影響。進一步考慮電場的影響,以Cu/Ni體系為重點研究對象,研究了不同的摻雜濃度的Cu/Ni表面合金的抗S中毒機制。研究的目的是希望找出鎳基雙金屬催化劑抗硫中毒的原因,為設(shè)計新的抗硫中毒材料提供參考。主要研究工作及結(jié)果如下:1.研究了IB族金屬(金、銀和銅)摻雜的Ni(1 0 0),(1 1 0)和(1 1 1)面上硫中毒效應(yīng)。我們發(fā)現(xiàn)在Ni(1 0 0)和Ni(1 1 0)表面,引入IB族金屬摻雜,可以使其d帶中心下移,遠離費米能級,從而減弱了對硫的吸附,抗硫中毒能力從弱到強依次為NiCu/NiAg/NiAu/Ni.然而在Ni(1 1 1)表面引入IB族金屬摻雜,其抗硫中毒能力順序卻是Ag/Ni(or Cu/Ni)NiAu/Ni.在M/Ni(1 1 1)表面增加IB族金屬表面摻雜濃度至50%時,我們發(fā)現(xiàn)不僅Au而且Ag和Cu摻雜都可以很好地抗硫中毒。結(jié)果表明,Ni表面合金化可以很好地抗硫中毒,相比于Ag和Cu摻雜,Au的抗硫中毒效果更好。2.研究了外電場和不同濃度的銅摻雜對Ni(1 0 0),(1 1 0)和(1 1 1)表面的抗硫中毒性能的影響。我們發(fā)現(xiàn),對于純凈的鎳,(1 1 1)面最不容易產(chǎn)生硫中毒,(1 0 0)面對硫吸附最穩(wěn)定。當Cu摻雜濃度增加到50%,(1 1 0)面成了最容易中毒的表面。相比于純凈的和低摻雜濃度的鎳表面,具有銅皮膚(覆蓋一層銅)的Ni(1 1 1)表面可以更好的抗硫中毒。另外,1.0 V/?的外電場存在可以使硫的吸附強度減弱,使硫中毒相的轉(zhuǎn)變溫度降低,增強了表面抗硫。結(jié)果表明,在大的外電場下,具有銅皮膚的鎳表面可以更有效地提升鎳基陽極的抗硫中毒效果。
【學位單位】：河南師范大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2017
【中圖分類】：O643.36;TM911.4
【部分圖文】：

圖 1-1 燃料電池的應(yīng)用領(lǐng)域根據(jù)通常燃料電池所需要的電解質(zhì)類型，可以將之分為如下五類：① 堿性燃料電池（Alkaline Fuel Cell, AFC）② 質(zhì)子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC）③ 磷酸燃料電池（Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC）④ 熔融碳酸鹽燃料電池（Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC）⑤ 固體氧化物燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell, SOFC）下表 1-1 顯示的是各類燃料電池的主要特點：

FC 的工作原理C 是一種全固態(tài)的高效發(fā)電裝置，在中高溫度下，直接將燃料（天然氣等的化學能轉(zhuǎn)化為電能。簡單的 SOFC 由陰極、陽極、電解質(zhì)和用電器組成通入，在催化劑的作用下，被還原成氧離子 O2-，在陰陽兩極不同的氧分離子以氧空位的形式通過固態(tài)電解質(zhì)傳輸?shù)诫娊赓|(zhì)、陽極和燃料氣體形成，并與燃料發(fā)生反應(yīng)，生成水和電子，電子通過外電路的用電器做功，并的回路。SOFC 的工作原理如圖 1-2 所示。

圖 1-3 SOFC Ni-YSZ 陽極的不同硫中毒行為實際上，在 SOFC 的工作系統(tǒng)中，燃料進入陽極之前要先進行脫硫處理，如圖 1-，微量的 H2S 就會使系統(tǒng)中毒，所以脫硫的過程操作復雜，花費高，使系統(tǒng)效率降多，也使脫硫工藝成為工業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。

【參考文獻】

相關(guān)博士學位論文 前1條

1 楚興麗;釔穩(wěn)定二氧化鋯的抗硫中毒機制研究[D];河南師范大學;2014年

本文編號：2807474