高效能量转换和储存过程的理论模拟,分析和实验研究

摘要

开发高效能量转换和储存过程是解决能源问题的主要途径之一。本文首先系统的概述了直接碳燃料电池和全钒液流储能电池的发展历程、研究方法和应用情况。然后对直接碳燃料电池进行了从单个碳颗粒,电极,单电池,到高效能量转换过程的理论分析和模拟研究。开发了乙酰丙酮钒有机电解质并应用于液流储能电池。
　　 直接碳燃料电池阳极理论研究。提出了直接碳燃料电池阳极多步骤电化学反应机理。在传统电化学动力学基础上,引入了基元反应平均反应时间,推导了阳极反应动力学方程。建立了碳材料(炭黑和石墨)微观结构模型。定义了活性碳原子浓度。在Nernst方程中引入了固体活度项用于考察直接碳燃料电池的热力学性能。结果表明,修正后的方程所预测的趋势与实验结果相同。
　　 直接碳燃料电池单电池的理论模拟和分析。模型综合考虑了电化学动力学,传质过程和电极反应过程。模拟结果揭示了对直接碳燃料电池单电池实验研究和商业应用有价值的重要特点。由模拟结果可知,在单电池工作温度范围内,电池反应受阳极活化极化步骤控制。电池工作温度对各种极化损失尤其是阳极活化极化产生重要影响。发生反应的电极表面积大小和电子传递路径是影响电池性能的重要因素。在碳颗粒直径为1.0×10-7-1.0×10-4 m范围内,单电池功率密度高达200-500 W m-2。
　　 基于甲烷催化裂解过程和双燃料电池的高效化学能转换过程的理论模拟和分析。提出了两个基于甲烷催化裂解过程、直接碳燃料电池、内重整固体氧化物燃料电池和气体透平的高效能量转换过程。对以上过程的主要部件建立了数学模型。对直接碳燃料电池和内重整固体氧化燃料电池进行了比较研究。结果显示,前者具有优良的高负载输出性能,后者在低负载条件下表现较好。采用能量分析和Exergy分析方法对提出的能量转换体系进行了研究。两个体系的第二定律电效率分别达到52％和69％,第二定律热电联产效率分别超过70％和80％。讨论了废热进一步回收的可行性。理论上,以上体系可以实现80％的CO2减排。
　　 开发了一种新型的单组分液流储能电池有机电解质。采用循环伏安方法研究了电解质的阳极反应和阴极反应。结果表明V(Ⅱ)／V(Ⅲ)和V(Ⅲ)／V(Ⅳ)氧化还原反应均是准可逆反应,同时,应用以上电解质的液流储能电池的开路电压为2.2V。室温条件下,测试得到乙酰丙酮钒的扩散系数是1.8-2.9×10-6 cm2 s-1。使用H-型静态电池测试了电解质的充放电性能,电池的库伦效率达到50％。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 直接碳燃料电池

1.2.1 燃料电池原理及分类

1.2.2 直接碳燃料电池基本原理及特点

1.2.3 直接碳燃料电池的发展历史和研究现状

1.2.4 直接碳燃料电池研究存在的问题和发展方向

1.3 全钒液流储能电池

1.3.1 液流储能电池基本原理及特点

1.3.2 全钒液流储能电池的研究现状

1.4 本论文工作

第二章 直接碳燃料电池阳极模拟研究

2.1 引言

2.2 直接碳燃料电池阳极模型

2.2.1 碳颗粒微观结构模型

2.2.2 阳极反应机理

2.2.3 引入固体活度的Nernst方程

2.2.4 阳极活化极化

2.3 结果和讨论

2.3.1 碳材料的活性

2.3.2 碳的活度对开路电压的影响

2.3.3 La对交换电流密度的影响

2.3.4 活化极化损失及其影响因素

2.3.5 有关电极机理的讨论

2.4 小结

第三章 直接碳燃料电池单电池模拟研究

3.1 引言

3.2 直接碳燃料电池单电池模型

3.2.1 单电池结构

3.2.2 电极反应过程

3.2.3 电化学热力学方程

3.2.4 极化损失

3.2.5 效率

3.2.6 假设

3.3 结果和讨论

3.3.1 单电池热力学性能

3.3.2 单电池电化学动力学特征

3.3.3 单电池工作温度的影响

3.3.4 阳极尺寸和碳颗粒尺寸的影响

3.3.5 单电池的输出特性

3.3.6 效率

3.4 小结

第四章 基于甲烷催化裂解反应和双燃料电池的化学能转换过程:模拟研究和可行性分析

4.1 引言

4.2 甲烷催化裂解反应器-直接碳燃料电池.内重整固体氧化物燃料电池化学能转换过程模拟研究

4.2.1 甲烷催化裂解反应模拟分析

4.2.2 直接碳燃料电池模型

4.2.3 内重整固体氧化物燃料电池模型

4.2.4 其它部件模型

4.2.5 体系性能评价

4.2.6 假设

4.2.7 结果和讨论

4.3 甲烷催化裂解反应器-直接碳燃料电池-内重整固体氧化物燃料电池-微型燃气轮机化学能转换过程模拟研究

4.3.1 微型燃气轮机模型

4.3.2 余热回收蒸汽发生器模型

4.3.3 其他部件模型

4.3.4 结果和讨论

4.4 小结

第五章 基于甲烷催化裂解反应和双燃料电池的化学能转换过程:Exergy分析

5.1 引言

5.2 Exergy及Exergy分析

5.3 各部件质量守恒、能量守恒和Exergy平衡关系

5.4 二氧化碳减排

5.5 能效率和Exergy效率

5.6 模型分析求解

5.7 结果和讨论

5.7.1 甲烷催化裂解过程甲烷转化率的影响

5.7.2 二氧化碳减排

5.7.3 过程Exergy损失和Exergy流图

5.8 小结

第六章 乙酰丙酮钒液流储能电池有机电解质的研究

6.1 引言

6.2 实验部分

6.2.1 试剂与仪器

6.2.2 电解质制备

6.2.3 循环伏安电化学性能测试

6.2.4 电池充放电性能测试

6.3 结果和讨论

6.3.1 乙酰丙酮钒有机电解质的循环伏安特性

6.3.2 电极反应动力学性能

6.3.3 电池充放电性能

6.3.4 降低电池交叉污染的初步探索

6.4 小结

第七章 结论和展望

7.1 结论

7.2 展望

符号说明

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢