流化床電極直接碳轉(zhuǎn)化燃料電池實(shí)驗(yàn)研究及模型計(jì)算.pdf

1、燃料電池是唯一同時(shí)具備無污染、高效率、適應(yīng)廣、噪音低、能連續(xù)工作和可積木化的動(dòng)力裝置，被認(rèn)為是21世紀(jì)最有發(fā)展前景的高效清潔的發(fā)電技術(shù)。直接碳燃料電池(Direct Carbon Fuel Cell，DCFC)是一種直接采用碳作為陽極燃料的新型能源轉(zhuǎn)化裝置。具有理論效率接近100％;環(huán)境友好無SOx和NOx排放；生成氣體僅是C02，便于回收；燃料來源廣、能量密度高和結(jié)構(gòu)簡單無需氣體重整等優(yōu)點(diǎn)。研究和開發(fā)出直接碳燃料電池將能高效地利用現(xiàn)有

2、能源，并有效減少對(duì)環(huán)境的污染。
　　 論文首先對(duì)直接碳燃料電池的燃料碳進(jìn)行了探討。并對(duì)對(duì)生物質(zhì)活性炭作為DCFC燃料碳進(jìn)行了分析，指出活性炭具有紊亂的結(jié)構(gòu)、孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)、比表面積大、表面官能團(tuán)豐富、灰分含量低、含硫量低并具有一定的導(dǎo)電性能，因此生物質(zhì)活性炭作為直接炭燃料電池的碳燃料，將具有很好的電池性能。
　　 在自行搭建的管式爐上進(jìn)行制各生物質(zhì)DCFC活性炭實(shí)驗(yàn)，以橡木鋸屑、竹子為原料，K2C03為活化劑，采用化學(xué)活化

3、法制各生物質(zhì)活性炭，著重考察了堿炭比、活化溫度、活化時(shí)間對(duì)活性炭的比表面積、孔隙率的影響，同時(shí)進(jìn)行了HN03對(duì)活性炭表面進(jìn)行了表面改性及鎳負(fù)載改善導(dǎo)電性能的影響的研究。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，K2COs活化能很好地增加活性炭的比表面積，且活化竹子得到的活性炭比表面積較大；鎳負(fù)載能夠有效地改善活性炭的導(dǎo)電性能，降低體積電阻率；且K2C03活化后的竹子活性炭其體積電阻率最??；HN03處理活性炭可以顯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

4、會(huì)增大活性炭的體積電阻率；綜合分析認(rèn)為選取竹子作為原材料，在堿炭比為1、活化溫度為900℃、活化時(shí)間為2h的工況下活化，不進(jìn)行鎳負(fù)載，2mol/IHN03處理得到的DCFC活性炭較好。
　　 在自行搭建的流化床電極陽極半電池實(shí)驗(yàn)裝置上，測試了不同燃料和不同工況下半電池的性能。發(fā)現(xiàn)以氫氣為燃料時(shí)，未加鎳顆粒時(shí)，由于強(qiáng)化傳質(zhì)，隨著氫氣流量的增大，半電池的電流密度以及極限電流密度都在不斷地增大；添加鎳顆粒時(shí)，隨著氫氣流量的增大半電池的

5、電流密度和極化電流密度首先也是不斷地增大，并在275mL/min時(shí)達(dá)到最大值；添加鎳顆粒比未添加鎳顆粒時(shí)其半電池性能被提高約兩倍；隨著工作溫度的增大，半電池的性能將不斷的改善，隨著02/C02流量的不斷增加，半電池性能也不斷改善，但在10mL/min、20mL/min以后，改善不明顯。以碳為燃料時(shí)，隨著氮?dú)饬髁康脑黾?，半電池的性能將到改善。隨著工作溫度的增加，電池的性能有較大的提高；隨著02/C02流量的不斷增加，半電池性能不斷改善，但

6、在10mL/min、20mL/min以后，改善不明顯；比較不同碳燃料的半電池性能，發(fā)現(xiàn)在相同的超電勢(shì)下，電流密度從大到小依次為：自制竹子活性炭、自制橡木鋸屑活性炭、活性炭纖維、石墨粉。這證實(shí)了自制活性炭具有很好的電化學(xué)性能。同時(shí)比較兩種自制的活性炭，其半電池性能相差不大，但由于竹子活性炭的制備步驟少，灰分低，因此綜合認(rèn)為其是更好的DCFC燃料。最后對(duì)竹子活性炭進(jìn)行了全面的半電池性能測試分析。
　　 論文最后對(duì)流化床電極直接碳燃料

7、電池進(jìn)行了設(shè)計(jì)，建立流化床電極直接碳燃料電池內(nèi)部電化學(xué)一維模型，并利用MATLAB數(shù)值軟件對(duì)其進(jìn)行數(shù)值求解。分析結(jié)果表明：開路電壓隨溫度增加而減少：當(dāng)電流密度為1200A/m2時(shí)，陽極活化損耗為0.104V，陰極活化損耗為0.107V，陽極歐姆損耗為0.137V，陰極歐姆損耗為0.156V，濃度損耗接近于零；隨著工作溫度的升高，電池的電壓降減少，功率密度增大；減小顆粒的尺寸和增大接觸面積會(huì)提高電池性能；最后分析了電池的效率以及其隨溫度的