流化床电极直接碳燃料电池研究

摘要

传统能源的逐渐短缺和环境问题的逐渐严峻迫切要求能够发展出高效、清洁的能源转化技术。直接碳燃料电池(Direct Carbon Fuel Cell,DCFC)是一种直接采用碳作为阳极燃料的新型能源转化技术,它具有效率高,污染少,便于回收的优点。本文以熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)和DCFC为基础,将流化床电极应用于直接碳燃料电池中,研究一种新型燃料电池——流化床电极直接碳转化燃料电池,该新型燃料电池融合了流化床电极传热、传质效果好和直接碳转化碳燃料电池原料来源广、价格低的优点。
　　 论文利用管式炉进行了橡木锯屑活性炭(OWB-AC)的制备,从比表面积、体积电阻率、含氧官能团、灰分的角度表征分析了活性炭的最佳活化工况条件:以K2CO3为活化剂时,选择活化温度为900℃,碱炭比为1,活化时间为2h最佳,以KOH为活化剂时,选择活化温度为800℃,碱炭比为3,活化时间为1h进行活化最佳。并采用(CH3COO)2Ni·4H2O进行镍负载,镍负载量为2％,在900℃条件下负载2h,最后采用2mol／L的硝酸浸渍来提高活性炭的导电性能及表面含氧官能团的数目。
　　 通过冷态实验的方法,对三相流化床内部不同气体流量及不同固体颗粒量下的流场及压力脉动情况进行了实验研究,采用均值和均方差值的分析方法对压差脉动信号进行了分析,并与冷态实验结果进行对比,得到汽、液、固三相流化床的最佳工况条件,进而对流化床电极直接碳半电池性能实验进行指导。
　　 在流化床电极阳极半电池实验装置上测试了不同工况下的半电池性能,得到不同流化气体(N2)量、O2／CO2流量、反应温度、催化剂(Ni)颗粒含量、集流器形状下流化床电极半电池的极化曲线。结果表明:氮气流量为385 ml／min,氧气／二氧化碳流量为10／20 ml／min,镍颗粒量为7.89％,温度为923K时半电池性能最佳；对于橡木锯屑活性炭,K2CO3为活化剂的活性炭在阳极中的性能优于KOH为活化剂的活性炭；在相同的超电势下,不同种类燃料产生的电流密度从大到小依次为:自制橡木锯屑活性炭、活性炭纤维、石墨粉。
　　 最后,在流化床电极全电池上进行了橡木锯屑活性炭的全电池性能实验研究。主要考察了阳极和阴极气体流量、不同反应温度、镍粉添加量、不同电极板形状对全电池性能的影响。在氮气流量为563 ml／min,氧气和二氧化碳流量为790／1581ml／min,镍颗粒添加量为7.89％,温度选择为923K时全电池性能最佳。