基于煤基微管状陶瓷膜电池反应器从CO2+H2O直接制备合成气(CO+H2)和碳基燃料研究

基于具有产业化发展基础的清洁高效煤基固体氧化物燃料电池发电技术，研发一种新型微管状陶瓷膜电池反应器(CMCR)，把CO2+H2O直接转化成合成气（CO＋H2）和碳基燃料（CH3OH/CH4）。实验装置将由微管状陶瓷膜电池反应器、直流电源和检测尾气成分的气相色谱仪构成，简易而原理可行。通过研究源气构成与流量、操作温度、泵氧电压、电流密度与生成物气相组成的关系，结合电极材料和表面改性，优化操作参数和电效率。基于常见氧离子导体YSZ和SDC为电解质的电池体系，侧重电极极化和电效率，考察不同温度段（1000－700，750－450 ℃）的操作习性。同时对整个电化学合成过程进行准热力学和动力学模拟，并与实验结果作比较分析，以期对这种燃料电池逆过程的能量效率和经济性做出初步评价。该CMCR的创新性在于研发不受卡诺循环限制的高能效合成路线，为CO2的减排和循环利用提供技术捷径。

陶瓷膜燃料电池是全陶瓷结构的固体氧化物燃料电池（Ceramics membrance fuel cells, CMFC），它是一种将燃料的化学能直接转变为电能的装置，由于燃料不经过燃烧环节，能量转化效率高、且对环境无污染，被誉为21世纪的绿色能源转化装置，可作为分散电源、汽车用电源等使用。我国发展先进陶瓷膜燃料电池（CMFC）新能源势在必行。但关键材料和电池堆构型等方面都面临巨大挑战，尤其是管状构型。本项目基于具有产业化发展基础的清洁高效煤基固体氧化物燃料电池发电技术，研发了微管状陶瓷膜电池反应器(CMCR)，探索了把CO2+H2O直接转化成合成气（CO＋H2）和碳基燃料（CH3OH/CH4）的可能性。本课题从微管状陶瓷膜反应器制备，关键材料，电极可逆过程和电池堆设计制备等方面着手研究，初步实现了煤基微管状陶瓷膜反应器的设计。综合利用挤出法，dip-coating和丝网印刷等制备方法，优化了微管状陶瓷膜反应器电池的制备工艺参数。提出了一系列高性能的阴极新材料，开发了钙钛矿稳定高温质子导体和混合氧离子-质子导体的电解质材料体系。发展了一类掺杂钙钛矿基电解池用氢电极材料，并以此研究了电极可逆电化学过程，发现电导率和电化学性能在电解池模式下均能得到改善。基于前期大量工作的基础上，我们也设计制备了不同构型的管状陶瓷膜反应器电池堆。显然，本项目所开发的煤基管状全陶瓷膜反应器发电以及储存电获得碳基燃料的技术是有产业化前景的。