直接碳固体氧化物燃料电池研究进展:碳燃料和逆向Boudouard反应催化剂

直接碳固体氧化物燃料电池(direct carbon solid oxide fuel cells,DC-SOFCs)是一种能够将固体碳中的化学能直接转化为电能的新型能量转换装置,具有理论效率高、燃料来源广泛、成本低以及绿色环保等突出优势.根据DC-SOFC的工作原理,其运行过程是一个动力学控制步骤,即阳极侧CO的电化学氧化反应与碳燃料中逆向Boudouard反应的有效耦合保证了DC-SOFC的高效稳定运行.其中,速率相对较慢的逆向Boudouard反应是电池电化学性能的决定因素.因此,设计提高逆向Boudouard反应速率是促进DC-SOFC产业化进程的有效途径,也是发展趋势.国内外研究者采取了一系列措施来实现此目标,其中最简单有效的两种方法是:①在固体碳燃料中担载逆向Boudouard反应催化剂;②直接采用多孔结构且天然富含金属元素的生物质炭为燃料.基于近年来的前沿研究,本文综述了采用不同类型逆向Boudouard反应催化剂和碳燃料的DC-SOFCs最新研究进展,系统总结了DC-SOFCs的研究现状、面临的挑战和未来发展方向,以期为开发高性能、长寿命DC-SOFCs提供有价值的参考.     

直接碳燃料电池性能研究

直接碳燃料电池(DCFC)勿需碳和氧气气化、重整,而直接通过电化学反应产生电能,效率可达80%,燃料的理论利用率可达100%,是一种高效、清洁的燃料电池.文章所介绍的组装DCFC单体电池,以石墨作阳极,不锈钢作阴极,加湿氧气作氧化剂,采用熔融氢氧化物作电解质,并掺入一定量的催化剂,该电池工作温度为500～700℃.对不同工作温度、不同电解质和不同氧气流量下DCFC的输出性能进行了试验研究.结果表明:随着工作温度的升高,电池输出性能有很大提高;KOH比NaOH的导电性好,电池运行更稳定,更有利于电池的输出;氧气流量为70mL/min,温度为650℃时,该电池的输出性能最佳,最大电流密度、功率密度分别为118mA/cm2和0.054 W/cm2,开路电压达到0.76 V.     

直接碳燃料电池(DCFC)实验研究

直接碳燃料电池是一种高效、清洁的燃料电池技术,其原理是碳和氧气勿需气化和重整而直接通过电化学反应产生电能,效率可达80%,燃料利用率约达100%。自行组装了DCFC单体电池,工作温度为500～700℃;该电池采用熔融氢氧化物作电解质,并掺入一定量的催化剂;石墨作阳极,不锈钢作阴极,加湿氧气作氧化剂。对不同的电解质、不同的氧气流量下DCFC的输出性能进行了试验研究。结果表明,KOH比NaOH的导电性好,电池运行更稳定,更有利于电池的输出;氧气流量为70mL/min时,该电池的输出性能最佳,最大电流密度、功率密度分别为105mA/cm2和0.041W/cm2,开路电压达到0.74V。电流密度为45mA/cm2时,输出电压0.65V,可连续稳定运行20h。提出了热解-直接碳燃料电池联合系统,并以C10H22为例,分析了联合系统发电效率高达76.5%,表明该系统在未来集中式电厂中有很好的应用前景。     

直接碳燃料电池技术研究进展分析

直接碳燃料电池(Direct Carbon Fuel Cell,DCFC)能够直接将固体碳燃料中的化学能高效、清洁地转化为电能,对煤炭的合理利用、污染物控制以及CO2减排具有重要意义。目前已开发出以熔融碳酸盐、熔融氢氧化物和固体氧化物作为电解质的多种DCFC,但与其它燃料电池技术相比,研究尚处于起步阶段。本文综述了DCFC技术的发展历程及研发现状,对现有DCFC加以分类,分析比较了其各自工作机理、性能特点以及在CO2减排方面的特性。在总结各类DCFC所面临的技术难题基础上,展望了直接碳燃料电池技术今后可能的发展方向。     

直接碳燃料电池活性炭制备的实验研究

以KOH为活化剂,采用化学活化法对橡木锯屑制取活性炭进行了实验研究。考察了活化温度、碱炭比和活化时间对活性炭比表面积的影响,得到了制取活性炭的最优工况,随后对此工况下的活性炭先后使用HNO3浸渍和乙酸镍Ni负载。结果表明,最优工况下制备的活性炭比表面积为1967m2/g。HNO3浸渍可以增加活性炭表面含氧官能团的种类和含量,也能较大程度地降低活性炭的灰分,乙酸镍Ni负载后,活性炭体积电阻率降低了很多。     

橡木锯屑制备直接碳燃料电池活性炭

以橡木锯木屑为原料,K2CO3为研究活化剂,采用化学活化法制备DCFC用活性炭,着重考察了碱炭比、活化温度、活化时间对活性炭的比表面积、孔隙率的影响,同时采用HNO3浸渍对活性炭表面进行改性及镍负载对活性炭导电性能进行改善。研究结果表明:当碱炭比为1、活化温度为900℃、活化时间为120min时,活性炭比表面积达1240m2/g,孔容积为0.768m3/g;镍负载后的活性炭体积电阻率明显下降;HNO3浸渍后,活性炭表面含氧官能团增多,灰分明显减少,但比表面积有一定下降,而体积电阻率增加明显。     

直接甲醇燃料电池的研究进展及关键问题

论述了直接甲醇燃料电池的工作原理和各研究机构目前取得的最新进展，对其发电过程中存在的电催化剂、甲醇渗透等关键技术问题进行了分析，接着探讨了DMFC数学模型的建立和控制方案的实现问题。指出直接甲醇燃料电池在小型移动电源方面有着广泛的应用前景。     

燃料电池知识——燃料电池的工作原理

燃料电池是将所供燃料的化学能直接变换为电能的一种能量转换装置，是通过连续供给燃料从而能连续获得电力的发电装置。燃料电池发生电化学反应的实质是氢气的燃烧反应。它与一般电池不同之处在于燃料电池的正、负极本身不包含活性物质，只是起催化转换作用。所需燃料（氢或通过甲烷、天然气、煤气、甲醇、乙醇、汽油等石化燃料或生物能源重整制取）和氧（或空气）不断由外界输入，因此燃料电池是名符其实的把化学能转化为电能的装置。[第一段]     

燃料电池燃料来源的探讨

在21世纪的能源中，燃料电池作为一种清洁而高效的新能源深受人们的青睐。本文简述了燃料电池的发展状况，并对燃料电池的燃料来源问题重点进行了讨论。分析结果表明，在近30年内燃料电池的燃料将以二甲醚为主，随后将为氢气所代替。     

直接液体甲醇燃料电池的数学模型

描述了一个用于模拟直接甲醇燃料电池特性的垂直于流道的二维数学模型。模型同时考虑了电化学动力学、水动力学和多组分传递。计算了电地内反应物浓度的分布、电流密度分布、甲醇窜流以及电压—电流特性曲线等。结果表明：集流板前的催化层内反应物浓度非常低；流道边缘附近电流密度比平均电流密度大许多倍。图5表l参9     

流化床电极直接碳燃料电池实验研究

将流化床电极应用到直接碳燃料电池(DCFC)中,得到一种新型的流化床电极直接碳燃料电池(FBEDCFC).为研究该燃料电池的输出特性,搭建了环形FBEDCFC实验装置,分析了反应温度、阴极气体流速、阳极气体流速、镍催化剂添加量和炭颗粒粒径对燃料电池放电曲线的影响.结果表明:反应温度为923K、阳极气体流速为18.59mm/s、阴极气体流速为19.57mm/s、镍催化剂添加量为45g、炭颗粒粒径为2.5~3.5mm时,可得到FBEDCFC的开路电压和最大输出功率密度,分别为0.896V和28.70mW/cm2.     

燃料电池及其发展概况

概述了燃料电池原理并计算了氢氧型燃料电池可逆条件下电池电压和效率。介绍了国外熔融碳酸盐型燃料电池（MCFC）、固体氧化物型燃料电池（SOFC）和固体高分子型燃料电池（PEFC）的最新进展,国内的发展状况。     

应用模糊辨识方法对DMFC电堆的温度特性建模

从甲醇燃料电池（DMFC）电堆实际应用的角度出发,利用模糊技术对DMFC电堆非线性系统进行模型辨识和预测。以阴阳极燃料的流速为的输入量,电堆的工作温度为输出量,利用1000组实验数据作为样本,建立了不同燃料流速下电堆工作温度的动态响应模型。仿真结果证明采用模糊辨识建模的方法是有效的,建立的模型精度较高,从而为设计DMFC电堆实时控制系统奠定了基础。     

液相进料直接甲醇燃料电池性能的实验研究

利用美国Arbin公司燃料电池测试装置，对液相进料直接甲醇燃料电池的性能进行了实验研究。通过电流．电压曲线，研究了燃料电池工作温度和压力、阴阳极差压、甲醇和氧气流量、甲醇浓度等参数对电池性能的影响。实验结果表明：较高的电池温度可以提高电池的性能；阴阳极差压提高，电池性能降低；在甲醇浓度较低时，燃料电池工作压力、工质流量和浓度的增加均使燃料电池性能有不同程度的提高。图8参7     

Direct carbon solid oxide Fuel Cell—a potential high performance battery

Tubular cone-shaped Ni-based anode-supported solid oxide fuel cells (SOFCs), with yttria-stabilized zirconia (YSZ) electrolyte and La_0.8Sr_0.2MnO₃ (LSM) cathode, were investigated with Fe catalyst-loaded activated carbon directly filled in as fuel. Three identical single cells were operated at different current and it turned out that larger current resulted in shorter operation life and smaller carbon utilization. A 3-cell-stack, with the segmented cone-shaped cells connected in series, was assembled and tested. A peak power density of 465 mW cm⁻² and a volumetric power density of 710 mW cm⁻³ were achieved at 850 °C. The degradation performance was analyzed according to the electrochemical characterization and SEM-EDX measurement. Based on the experimental results, the potential of developing such direct carbon SOFC into a high performance battery was proposed.