流化床电极直接碳燃料电池实验研究及数学模型

摘要

直接碳燃料电池(DCFC)具有能量转化效率高、污染物排放少等特点;流化床电极内传热传质系数高、过电位分布均匀，便于非均相反应的发生;将DCFC与流化床电极结合，形成了一种新型的流化床电极直接碳燃料电池，该电池兼备了两者的优点，具有广阔的发展前景。
　　 为掌握DCFC的基本规律，开展了DCFC实验研究，考察了多种参数（电解质成分、颗粒粒径、燃料种类、反应温度等）对DCFC伏-安曲线的影响。综合考虑电池的输出功率、燃料的加工难度和成本后，认为碳粉燃料更适合DCFC;当以粒径20μm的低灰椰壳活性炭为燃料、在阴极气体不加湿、阳极内通入惰性载气、电解质组成为62％Li2CO3∶38％K2CO3、反应温度为650℃时，碳粉燃料DCFC最大输出功率密度为35.2mW/cm2。
　　 综合DCFC实验研究结果和他人成果，提出了DCFC碳燃料应具备的特征:比表面积大、导电性能好、表面含氧官能团含量高、灰分少、硫分少。选择竹子为原料，使用KOH和K2CO3为活化剂制备出生物质活性炭，并通过镍负载和酸浸渍处理方法来改善活性炭电阻率、表面含氧官能团及灰分，得到了以K2CO3为活化剂制备活性炭的最佳工况:活化温度为900℃，碱炭比为1，活化时间为2h，HNO3浸渍浓度为2mol/L;而KOH为活化剂时的最佳工况条件:活化温度为800℃，碱炭比为3，活化时间为1h，镍负载量为2％，负载温度为900℃，负载时间为2h，HNO3浸渍浓度为4mol/L。
　　 建立了流化床电极直接碳燃料电池冷态实验装置，对流化床内不同测点处压差脉动信号进行分析，得到了床内气-液-固三相流动的一些基本规律，获得了气-液-固三相流化床的最小流化速度为17.4mm/s;考察不同流速下床内气相和固相的分布，实现了上述最小流化速度的验证。
　　 基于冷态实验，建立了流化床电极直接碳燃料电池阳极半电池实验装置，先以氢气为燃料研究了不同实验工况下流化床电极氢燃料电池阳极半电池的极化性能，在此基础上进一步探讨了碳燃料在流化床电极直接碳燃料电池阳极半电池中的极化性能，得到了性能最优时的工况条件:氮气流量为385mL/min，平衡气体流量为30mL/min，镍颗粒含量为7.89％，反应温度为650℃，使用大面积集流器。通过与活性炭纤维和石墨实验结果的对比，验证了自制活性炭在DCFC中优越性。
　　 对上述阳极半电池的研究工作进行了拓展，先进行了氢气为燃料的流化床电极氢燃料电池的实验研究，整体上掌握了全电池的一些基本特性。基于上述实验研究，进一步开展了不同工况下流化床电极直接碳燃料电池的研究工作，主要分析了电池的放电曲线，研究结果表明:使用粒径为2.5～3.5mm的B类活性炭为燃料，在650℃的反应温度下，阳极、阴极气体流量分别为563、2371mL/min时，流化床电极直接碳燃料电池性能最优，此时最大输出功率密度为28.70mW/cm2。
　　 结合相关模型和实验结果，建立了流化床电极直接碳燃料电池一维数学模型，对模型求解结果进行分析、探讨，发现:开路电压随反应温度的增加而增加;阴、阳极活化极化随温度的升高而降低;浓差极化极小，基本可以忽略;提高反应温度和降低气体流量均可以减小欧姆极化;低电流密度区域，实验结果与计算结果重合度较高，高电流密度区域下两者差距较大;电池效率随温度的升高将增加。

目录

声明

摘要

主要符号表

第一章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 燃料电池

1．2．1 概述

1．2．2 燃料电池工作原理

1．2．3 燃料电池的分类

1．3 直接碳燃料电池

1．3．1 直接碳燃料电池的概念

1．3．2 直接碳燃料电池的优点

1．3．3 DCFC的原理及分类

1．3．4 阳极碳的电化学氧化

1．4 DCFC的研究进展

1．4．1 熔融碳酸盐DCFC

1．4．2 熔融碱DCFC

1．4．3 固体氧化物DCFC

1．5 DCFC燃料的研究进展

1．5．1 DCFC燃料碳的基本要求

1．5．2 生物质活性炭作为DCFC燃料的可行性

1．6 流化床电极的研究进展

1．6．1 流化床电极分类

1．6．2 流化床电极优点

1．6．3 流化床电极中电荷传递机理

1．6．4 流化床电极与燃料电池

1．6．5 流化床电极的其它应用

1．7 本课题主要研究内容

第二章 DCFC实验研究

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验试剂及实验仪器

2．2．2 实验装置

2．2．3 实验方法

2．3 实验结果与分析

2．3．1 碳粉燃料DCFC

2．3．2 碳棒燃料DCFC

2．4 本章小结

2．4．1 碳粉燃料

2．4．2 碳棒燃料

第三章 生物质活性炭的制备

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验试剂及实验仪器

3．2．2 实验装置

3．2．3 实验方法

3．3 实验结果与分析

3．3．1 元素分析与工业分析

3．3．2 炭化料的制备

3．3．3 活性炭的制备

3．3．4 活性炭的导电性能

3．3．5 HNO3浸渍对活性炭的影响

3．3．6 几种DCFC活性炭的比较

3．4 本章小结

第四章 流化床电极冷态实验研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 实验试剂及实验仪器

4．2．2 实验装置

4．2．3 实验方法

4．3 实验结果与分析

4．3．1 压力脉动分析

4．3．2 布风板压差

4．3．3 固定测点间压降

4．3．4 床层压降

4．3．5 图像采集

4．4 本章小结

第五章 流化床电极直接碳燃料电池阳极半电池实验研究

5．1 引言

5．2 实验部分

5．2．1 实验试剂及实验仪器

5．2．2 实验装置

5．2．3 实验方法

5．3 实验结果与分析

5．3．1 流化床电极氢燃料电池阻极半电池

5．3．2 流化床电极直接碳燃料电池阳极半电池

5．4 本章小结

5．4．1 氢气燃料阳极半电池

5．4．2 碳燃料阳极半电池

第六章 流化床电极直接碳燃料电池实验研究

6．1 引言

6．2 实验部分

6．2．1 实验试剂及实验仪器

6．2．2 实验装置

6．2．3 实验方法

6．3 实验结果与分析

6．3．1 流化床电极氢燃料电池

6．3．2 流化床电极直接碳燃料电池

6．4 本章小结

6．4．1 流化床电极氢燃料电池

6．4．2 流化床电极直接碳燃料电池

第七章 流化床电极直接碳燃料电池数学模型

7．1 引言

7．2 电极反应及假设条件

7．3 数学模型的建立

7．3．1 燃料电池的开路电压

7．3．2 流化床电极内颗粒相电势分布

7．3．3 燃料电池活化极化

7．3．4 燃料电池欧姆极化

7．3．5 燃料电池浓差极化

7．3．6 燃料电池的效率

7．4 数学模型的求解结果

7．4．1 开路电压

7．4．2 阴极活化极化

7．4．3 阳极活化极化

7．4．4 欧姆极化

7．4．5 浓差极化

7．4．6 燃料电池的放电曲线

7．4．7 燃料电池的效率

7．5 本章小结

第八章 结论与总结

8．1 全文总结

8．2 主要创新之处

8．3 需要进一步开展的研究工作

参考文献

攻读博士学位期间论文发表及专利申请情况

致谢