含微量甲苯燃气的干重整催化剂及重整气在固体氧化物燃料电池的发电研究.pdf
中文摘要
固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种可以将化学能转化为电能的固态发电装置。
在各种燃料电池中,SOFC以燃料范围广泛、能量利用效率高等优点而备受关注。煤
焦化醇氨联产会产生废气,这种废气主要由H(44.22%)、N(27.73%)、CO(9.87%)、
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CO(9.13%)、CH(8.07%)、O(0.3%)、CHOH(0.26%)和一些其他烃类物质(0.42%)
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组成。由于其含有大量可用作燃料的组分,将其应用于SOFC发电能够减少环境污
染和能源浪费。但是在废气中还存在一定含量的焦油和硫化物,这些物质会毒化传统
Ni基阳极,从而降低电池的性能和使用寿命,限制了废气的直接应用。
本文主要对该废气中焦油组分的去除进行研究。由于废气中含有大量的氢气,且
含有9.13%的CO,因此配制20vol.%CO-80vol.%H的气体负载100ppm微量甲
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苯作为模拟气,将焦油通过CO2重整的方式转化为合成气,因此采用CO2原位重整
的方式对废气中的焦油进行去除,随后采用SOFC技术对催化重整后的废气进行发
电研究。具体研究内容如下:
1、采用溶胶凝胶法制备了FeO-CeO(FC)催化剂和FeO-CeZrO(FCZ)
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催化剂,利用XRD、H-TPR、SEM、热重、XPS等对催化剂进行表征。以甲苯作为
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焦油的模型化合物,通过固定床反应装置进行了氢气气氛下CO2和焦油的催化重整
性能研究。结果表明,Fe与CeO2之间的相互作用能够提高CeO2基催化剂表面氧空
位和表面微孔数量,提高催化剂表面活性氧的迁移速率和抗烧结能力。FC在甲苯CO2
干重整中表现出较好的活性,以20vol.%CO-80vol.%H负载微量甲苯(100ppm),
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在750°C时,甲苯和CO2的转化率分别为92%和85%,在测试80h后催化活性开
始下降。而FCZ在750°C时甲苯和CO2的转化率分别为94%和90%,催化活性都
略有提高,并且在测试130h后催化活性没有明显下降,这说明Zr的掺杂能够提高
CeO2基催化剂的热稳定性。
2、将催化重整前后的气体直接通入SOFC阳极,研究废气应用于SOFC时电池
的发电性能和稳定性。研究结果表明,没有经过重整的模拟废气直接通入电池时,
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800°C电池最大功率密度为0.66W·cm,极化阻抗为0.89Ω·cm。而经过催化剂FC
或FCZ的催化重整后,电池最大功率密度分别增加至0.72W·cm-2和0.77W·cm-2,
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极化阻抗降低至0.73Ω·cm和0.67Ω·cm。这是由于经过催化剂的重整,燃料气中
的甲苯和CO大部分转化为CO和H,提高燃料气在电池上的气体扩散速率的同时
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抑制甲苯类物质在阳极表面的裂解积碳,降低了电池的极化阻抗,从而提高了电池的
电化学性能。
关键词:固体氧化物燃料电池;焦油;甲苯;CO2干重整
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