流化床電極直接碳燃料電池實(shí)驗(yàn)研究及數(shù)學(xué)模型.pdf

1、直接碳燃料電池(DCFC)具有能量轉(zhuǎn)化效率高、污染物排放少等特點(diǎn);流化床電極內(nèi)傳熱傳質(zhì)系數(shù)高、過電位分布均勻，便于非均相反應(yīng)的發(fā)生;將DCFC與流化床電極結(jié)合，形成了一種新型的流化床電極直接碳燃料電池，該電池兼?zhèn)淞藘烧叩膬?yōu)點(diǎn)，具有廣闊的發(fā)展前景。
　　 為掌握DCFC的基本規(guī)律，開展了DCFC實(shí)驗(yàn)研究，考察了多種參數(shù)（電解質(zhì)成分、顆粒粒徑、燃料種類、反應(yīng)溫度等）對(duì)DCFC伏-安曲線的影響。綜合考慮電池的輸出功率、燃料的加工難度和

2、成本后，認(rèn)為碳粉燃料更適合DCFC;當(dāng)以粒徑20μm的低灰椰殼活性炭為燃料、在陰極氣體不加濕、陽極內(nèi)通入惰性載氣、電解質(zhì)組成為62％Li2CO3∶38％K2CO3、反應(yīng)溫度為650℃時(shí)，碳粉燃料DCFC最大輸出功率密度為35.2mW/cm2。
　　 綜合DCFC實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果和他人成果，提出了DCFC碳燃料應(yīng)具備的特征:比表面積大、導(dǎo)電性能好、表面含氧官能團(tuán)含量高、灰分少、硫分少。選擇竹子為原料，使用KOH和K2CO3為活化劑制備

3、出生物質(zhì)活性炭，并通過鎳負(fù)載和酸浸漬處理方法來改善活性炭電阻率、表面含氧官能團(tuán)及灰分，得到了以K2CO3為活化劑制備活性炭的最佳工況:活化溫度為900℃，堿炭比為1，活化時(shí)間為2h，HNO3浸漬濃度為2mol/L;而KOH為活化劑時(shí)的最佳工況條件:活化溫度為800℃，堿炭比為3，活化時(shí)間為1h，鎳負(fù)載量為2％，負(fù)載溫度為900℃，負(fù)載時(shí)間為2h，HNO3浸漬濃度為4mol/L。
　　 建立了流化床電極直接碳燃料電池冷態(tài)實(shí)驗(yàn)裝置，

4、對(duì)流化床內(nèi)不同測點(diǎn)處壓差脈動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析，得到了床內(nèi)氣-液-固三相流動(dòng)的一些基本規(guī)律，獲得了氣-液-固三相流化床的最小流化速度為17.4mm/s;考察不同流速下床內(nèi)氣相和固相的分布，實(shí)現(xiàn)了上述最小流化速度的驗(yàn)證。
　　 基于冷態(tài)實(shí)驗(yàn)，建立了流化床電極直接碳燃料電池陽極半電池實(shí)驗(yàn)裝置，先以氫氣為燃料研究了不同實(shí)驗(yàn)工況下流化床電極氫燃料電池陽極半電池的極化性能，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步探討了碳燃料在流化床電極直接碳燃料電池陽極半電池中的極化

5、性能，得到了性能最優(yōu)時(shí)的工況條件:氮?dú)饬髁繛?85mL/min，平衡氣體流量為30mL/min，鎳顆粒含量為7.89％，反應(yīng)溫度為650℃，使用大面積集流器。通過與活性炭纖維和石墨實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，驗(yàn)證了自制活性炭在DCFC中優(yōu)越性。
　　 對(duì)上述陽極半電池的研究工作進(jìn)行了拓展，先進(jìn)行了氫氣為燃料的流化床電極氫燃料電池的實(shí)驗(yàn)研究，整體上掌握了全電池的一些基本特性?；谏鲜鰧?shí)驗(yàn)研究，進(jìn)一步開展了不同工況下流化床電極直接碳燃料電池的研

6、究工作，主要分析了電池的放電曲線，研究結(jié)果表明:使用粒徑為2.5～3.5mm的B類活性炭為燃料，在650℃的反應(yīng)溫度下，陽極、陰極氣體流量分別為563、2371mL/min時(shí)，流化床電極直接碳燃料電池性能最優(yōu)，此時(shí)最大輸出功率密度為28.70mW/cm2。
　　 結(jié)合相關(guān)模型和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，建立了流化床電極直接碳燃料電池一維數(shù)學(xué)模型，對(duì)模型求解結(jié)果進(jìn)行分析、探討，發(fā)現(xiàn):開路電壓隨反應(yīng)溫度的增加而增加;陰、陽極活化極化隨溫度的升高而降