阳极镀银SOFC以污泥微波热解气为燃料气产电研究
随着我国城市污水处理厂的大量建设，我国每日产生的污水污泥量也与日俱增，污水污泥的无害化、减量化、资源化是我们必须要面临和解决的问题。固体氧化物燃料电池（SOFC, Solid Oxide Fuel Cell）以可燃气作为燃料气，将燃料气的化学能直接转换为电能，能量转换效率高，是一种极具前景的环保能源技术。因此，本课题提出了以城市污水污泥微波热解气作为燃料气供给固体氧化物燃料电池产电的构想。以污泥微波热解气为燃料气的一大难点在于，污泥微波热解气中含有甲烷、乙烷、乙烯等碳氢气，会在固体氧化物燃料电池阳极形成积炭，影响电池工作的稳定性，缩短电池的使用寿命。所以，本论文进行了固体氧化物燃料电池阳极镀银的研究，以提高电池的抗积炭能力，使电池能够适应以污泥微波热解气为燃料气稳定地产电，从而达到污水污泥资源化利用的目的。 分别研究了电镀法、微波法和化学镀银法在固体氧化物燃料电池阳极镀银的效果。结果表明，电镀法在电池阳极镀银的效果一般；微波法镀银效果不稳定，重现性差；化学镀银法的银颗粒数量多，粒径大，且重现性好。综合镀银效果、重现性、能耗和硝酸银用量等多方面因素考虑，最终选择镀银效果好、能耗低、用银量小、方法比较简单的化学镀银法作为电池阳极镀银的方法。然后确定了化学镀银法镀银的最佳温度24℃，并选择了比较有代表性的化学镀银1 min、5 min和10 min电池进行阳极镀银后的性能测试和表征。 扫描电镜和能谱分析的结果表明，化学镀银法已成功将银沉积在电池阳极，阳极表面的镀银量和银颗粒粒径都随着镀银时间的增加而增加。化学镀银1 min、5 min和10 min电池阳极表面银的质量分数分别为1.43％、10.93%和23.16%。 考察了以氢气为燃料气时燃料气流量和温度对电池放电性能的影响。结果表明，从25 mL·min-1至100 mL·min-1，随着燃料气流量的增加，电池的放电性能提升，但燃料气流量在50 mL·min-1时，电池对燃料气的利用率已经基本接近饱和，再增大燃料气流量，对电池放电性能的提升作用并不明显；从650℃至750℃，随着温度的升高，电池的放电性能显著提升。相比于燃料气流量，温度对电池放电性能的影响更大。最终确定了电池的工作条件：温度750℃，燃料气流量50 mL·min-1。 以未镀银电池作为空白电池，分别以氢气、甲烷、乙烷和污泥微波热解气的模拟气（由污泥微波热解气中的H2、N2、CO、CH4、CO2、C2H6、C2H4等主要组分组成）为燃料气，对空白电池和化学镀银1 min、5 min、10 min电池进行性能测试和表征。结果表明，阳极镀银后，电池的放电性能提高，阻抗减小，阳极表面积炭量减少。以甲烷、乙烷为燃料气恒流运行时，阳极镀银电池输出电压比空白电池稳定，并且恒流后放电性能的衰减程度比空白电池小。 在化学镀银1min、5 min和10 min电池中，镀银时间越长、银量越多的电池，放电性能和抗积炭能力越好。所以，最终选择对空白电池和化学镀银10 min电池通入污泥微波热解气为燃料气，进行电池的性能测试和表征。结果显示，空白电池在恒流3 h后因为积炭、硫化氢、氨气等气体的破坏，导致输出电压较大范围的上下波动，且整体呈下降趋势。而化学镀银10 min电池则能够相对稳定地恒流运行24 h。恒流后，化学镀银10 min电池的最大功率密度衰减量26.3%，低于空白电池最大功率密度的衰减量69.5%，且化学镀银10 min电池阳极表面积炭量小于空白电池阳极表面积炭量。这说明，化学镀银10 min电池已经初步具备了以污泥微波热解气为燃料气稳定运行的能力。
污水处理;污泥微波热解气;固体氧化物燃料电池;化学镀银
哈尔滨工业大学
硕士
环境科学与工程
田禹
2014
中文
X703.1
74
2015-08-17（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）