流化床电极直接碳转化燃料电池实验研究及模型计算

摘要

燃料电池是唯一同时具备无污染、高效率、适应广、噪音低、能连续工作和可积木化的动力装置，被认为是21世纪最有发展前景的高效清洁的发电技术。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装置。具有理论效率接近100％;环境友好无SOx和NOx排放；生成气体仅是C02，便于回收；燃料来源广、能量密度高和结构简单无需气体重整等优点。研究和开发出直接碳燃料电池将能高效地利用现有能源，并有效减少对环境的污染。　　 论文首先对直接碳燃料电池的燃料碳进行了探讨。并对对生物质活性炭作为DCFC燃料碳进行了分析，指出活性炭具有紊乱的结构、孔隙结构发达、比表面积大、表面官能团丰富、灰分含量低、含硫量低并具有一定的导电性能，因此生物质活性炭作为直接炭燃料电池的碳燃料，将具有很好的电池性能。　　 在自行搭建的管式炉上进行制各生物质DCFC活性炭实验，以橡木锯屑、竹子为原料，K2C03为活化剂，采用化学活化法制各生物质活性炭，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，同时进行了HN03对活性炭表面进行了表面改性及镍负载改善导电性能的影响的研究。实验发现，K2COs活化能很好地增加活性炭的比表面积，且活化竹子得到的活性炭比表面积较大；镍负载能够有效地改善活性炭的导电性能，降低体积电阻率；且K2C03活化后的竹子活性炭其体积电阻率最小；HN03处理活性炭可以显著地改善活性炭表面含氧官能的含量，降低灰分，但一定程度也会增大活性炭的体积电阻率；综合分析认为选取竹子作为原材料，在碱炭比为1、活化温度为900℃、活化时间为2h的工况下活化，不进行镍负载，2mol/IHN03处理得到的DCFC活性炭较好。　　 在自行搭建的流化床电极阳极半电池实验装置上，测试了不同燃料和不同工况下半电池的性能。发现以氢气为燃料时，未加镍颗粒时，由于强化传质，随着氢气流量的增大，半电池的电流密度以及极限电流密度都在不断地增大；添加镍颗粒时，随着氢气流量的增大半电池的电流密度和极化电流密度首先也是不断地增大，并在275mL/min时达到最大值；添加镍颗粒比未添加镍颗粒时其半电池性能被提高约两倍；随着工作温度的增大，半电池的性能将不断的改善，随着02/C02流量的不断增加，半电池性能也不断改善，但在10mL/min、20mL/min以后，改善不明显。以碳为燃料时，随着氮气流量的增加，半电池的性能将到改善。随着工作温度的增加，电池的性能有较大的提高；随着02/C02流量的不断增加，半电池性能不断改善，但在10mL/min、20mL/min以后，改善不明显；比较不同碳燃料的半电池性能，发现在相同的超电势下，电流密度从大到小依次为：自制竹子活性炭、自制橡木锯屑活性炭、活性炭纤维、石墨粉。这证实了自制活性炭具有很好的电化学性能。同时比较两种自制的活性炭，其半电池性能相差不大，但由于竹子活性炭的制备步骤少，灰分低，因此综合认为其是更好的DCFC燃料。最后对竹子活性炭进行了全面的半电池性能测试分析。　　 论文最后对流化床电极直接碳燃料电池进行了设计，建立流化床电极直接碳燃料电池内部电化学一维模型，并利用MATLAB数值软件对其进行数值求解。分析结果表明：开路电压随温度增加而减少：当电流密度为1200A/m2时，阳极活化损耗为0.104V，阴极活化损耗为0.107V，阳极欧姆损耗为0.137V，阴极欧姆损耗为0.156V，浓度损耗接近于零；随着工作温度的升高，电池的电压降减少，功率密度增大；减小颗粒的尺寸和增大接触面积会提高电池性能；最后分析了电池的效率以及其随温度的变化，得出电池在低负载的情况下效率较高。

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

§1.3 直接碳燃料电池原理

§1.3.1 碱性氢氧化物直接碳燃料电池原理

§1.3.2 熔融碳酸盐直接碳燃料电池原理

§1.3.3 固体氧化物直接碳燃料电池原理

§1.4 直接碳燃料电池研究进展与现状

§1.4.1 第一个直接碳燃料电池—William W．Jacques

§1.4.2 斯坦福研究所（SRI）——Roben Weaver

§1.4.3 美国科学应用与研究协会(SARA)——Strahinja Zecevic

§1.4.4 劳伦斯困家实验室（LLNL）——John F．Cooper

§1.4.5 斯坦福研究所(SRI)新型DCFC

§1.4.6 Cell Tech Power

§1.4.7 Direct Carbon Technologies(DCT)

§1.5 不同电解质的DCFC的优缺点

§1.6 直接碳燃料电池性能的影响因素研究现状

§1.6.1 温度的影响

§1.6.2 电池材料的影响

§1.6.3 气体流量的影响

§1.6.4 燃料碳的影响

§1.7 生物质活性炭作为DCFC燃料碳的可行性分析

§1.7.1 活性炭结构

§1.7.2 活性炭的导电性能

§1.7.3 活性炭的表面官能团

§1.7.4 活性炭的灰分

§1.7.5 活性炭中的硫分

§1.7.6 活性炭的颗粒尺寸、比表面积和孔隙结构

§1.8 流化床电极直接碳燃料电池研究现状

§1.8.1 流化床电极

§1.8.2 流化床电极直接碳燃料电池

§1.9 本论文的研究内容

第二章 直接碳燃料电池活性炭的制各及表征方法

§2.1 实验原料及化学试剂

§2.2 DCFC活性炭的制备

§2.2.1 活性炭制备实验

§2.2.2 活性炭的导电性能改善试验

§2.2.3 活性炭的表面改性试验

§2.2.3 综合分析实验

§2.3 DCFC活性炭的表征

§2.3.1 活性炭的表面孔隙结构分析

§2.3.2 活性炭的微观结构分析

§2.4 本章小结

第三章 直接碳燃料电池活性炭制备实验研究结果及分析

§3.1 实验工况表

§3.2 活性炭比表面积和孔结构参数影响因素分析

§3.2.1 活化温度的影响

§3.2.2 碱炭比的影响

§3.23 活化时间的影响

§3.3 活性炭导电性能影响因素分析

§3.3.1 橡木锯屑活性炭导电性能影响因素分析

§3.3.2 竹子活性炭导电性能影响冈素分析

§3.4 HN03处理对活性炭影响因素分析

§3.4.1 HN03处理对活性炭含氧官能团的影响

§3.4.2 HN03处理对活性炭比表面积和孔容积的影响

§3.4.3 HN03处理对活性炭体积电阻率的影响

§3.4.4 HN03处理对活性炭灰分的影响

§3.5 橡木锯屑活性炭与竹子活性炭的比较

§3.6 本章小结

第四章 流化床电极阳极半电池实验研究

§4.1 引言

§4.2 流化床电极阳极半电池实验装置

§4.3 实验方法

§4.3.1 采用气体燃料H2的实验方法

§4.3.2 采用固体燃料——碳燃料的实验方法

§4.4 实验结果与讨论

§4.4.1 氢气燃料流化床电极阳极半电池实验分析

§4.4.2 碳燃料流化床电极阳极半电池实验分析

§4.5 本章小结

第五章 流化床电极直接碳燃料电池数学模型研究

§5.1 流化床电极直接碳燃料电池的结构设计

§5.2 电极反应及假设条件

§5.3 数学模型的建立

§5.3.1 电化学热力动力学方程

§5.3.2 极化损耗

§5.3.3 电池效率

§5.4 数学模型的求解及讨论

§5.4.1 开路电压

§5.4.2 极化损耗特性

§5.4.3 电流电压及电池功率特性

§5.4.4 温度对电池性能的影响

§5.4.5 颗粒尺寸对电池性能的影响

§5.4.6 增大集电器面积对欧姆损耗的影响

§5.4.7 电池效率

§5.5 本章小结

第六章 结论与建议

§6.1 结论

§6.2 建议

参考文献

致谢

硕士期间发表论文