直接碳燃料电池阳极反应和特性研究

论文摘要

由于直接碳燃料电池具有高效和有利于二氧化碳回收的特点,近些年来倍受关注。使用固体氧化物为电解质的直接碳燃料电池装置简单,易于实现工业化,但是目前对其阳极反应机制和电池特性的研究还很有限,使得这种电池的效率偏低。因此本文选取以固体氧化物为电解质的直接碳燃料电池进行实验和理论研究。积碳型直接碳燃料电池的阳极反应很复杂,了解阳极反应过程对选择电池工况优化电池性能很有意义。本文首先通过热重分析仪分别对NiO和YSZ的粉末,以及阳极支撑的固体氧化物燃料电池的阳极碎片进行甲烷裂解实验。随后使用扫描电镜对阳极碎片内部的积碳形态和位置进行了观察。实验中发现,对于积碳型的直接碳燃料电池,积碳可以发生电化学反应,但是积碳的位置和积碳颗粒的大小都决定了内部积碳发生电化学反应的几率很小。同时,通过软件ImageJ的分析发现,积碳会造成阳极内部孔隙率的下降,长时间的甲烷裂解会严重的堵塞气孔。因此,对于积碳型直接碳燃料电池,选择较高的甲烷浓度和较短的裂解时间对后续的电池运行很有益处。基于上述实验结论,进一步对积碳型直接碳燃料电池和阳极外部堆碳型直接碳燃料电池的建立了二维等温模型,并使用商业软件COMSOL针对不同的模型参数进行了模拟。从对积碳型直接碳燃料电池的模型计算结果可以看出,积碳通过少量的电化学反应提高阳极的交换电流密度并提高电池性能的可能性很小。同时,阳极的有效扩散系数对于积碳型直接碳燃料电池的性能影响最明显。对于阳极外部堆碳的直接碳燃料电池,如果碳的气化活性不高,则碳层主要起到了阻碍扩散的作用。但是在自然堆积条件下,这种阻碍作用不是很明显。相同的堆积密度下,选择稍厚的碳层可以延长电池一个周期内的使用时间同时对电池性能影响不大。而当堆碳的质量一定时,需要选择合适的堆积密度优化电池的性能。在相同碳含量下,从设备的简易性,电池的性能,能量的利用效率以及二氧化碳的回收等方面,外部堆碳的直接碳燃料电池都更具有优势。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 课题背景和研究现状
• 1.2 固体氧化物直接碳燃料电池的研究现状
• 1.2.1 非接触式固体氧化物直接碳燃料电池的研究现状
• 1.2.2 接触式固体氧化物直接碳燃料电池的研究现状
• 1.3 积碳型SOFC 直接碳燃料电池的可用研究方法
• 1.4 本文工作的主要内容
• 第2章 积碳型SOFC 直接碳燃料电池阳极内部积碳规律
• 2.1 阳极内部的积碳位置
• 2.1.1 实验装置和实验过程
• 2.1.2 实验结果及讨论
• 2.2 阳极内部的积碳形貌
• 2.2.1 实验器材和实验过程
• 2.2.2 SEM 扫描结果特征及讨论
• 2.2.3 阳极孔隙率及平均孔径的定量分析
• 2.3 本章小结
• 第3章 CO、内部积碳及外部堆碳纽扣电池的模型建立
• 3.1 以CO 为燃料的阳极支撑型纽扣固体氧化物燃料电池模型（模型一）的建立
• 3.1.1 模型一的建立及假设条件
• 3.1.2 控制方程的建立
• 3.1.3 边界条件
• 3.1.4 求解方法
• 3.2 以内部积碳为燃料的直接碳燃料电池的模型（模型二）建立
• 3.2.1 模型一和模型二的比较
• 3.2.2 模型二的控制方程、边界条件以及求解方法
• 3.3 以外部堆碳为燃料的直接碳燃料电池的模型（模型三）建立
• 3.4 本章小结
• 第4章 三种电池模型的计算结果及讨论
• 4.1 CO 为燃料的阳极支撑型纽扣固体氧化物燃料电池（模型一）的校验
• 4.2 内部积碳为燃料的直接碳燃料电池（模型二）的计算及性能预测
• 4.2.1 阳极交换电流密度i0,an对电池性能的影响
• CO-CO₂^bulk,eff对电池性能的影响'>4.2.2 阳极内部的CO 扩散系数D_CO-CO2^bulk,eff对电池性能的影响
• 4.2.3 积碳温度对电池性能的影响
• 4.2.4 各参数对积碳型直接碳燃料电池性能影响的小结
• 4.3 阳极外部堆碳的直接碳燃料电池（模型三）的性能计算结果及比较
• 4.3.1 堆碳层的存在对外部堆碳的直接碳燃料电池的性能影响
• 4.3.2 相同的堆碳厚度，不同的堆碳松紧程度对电池性能的影响
• 4.3.3 不同堆碳厚度对电池性能的影响
• 4.3.4 固定阳极外部堆碳的质量，不同的孔隙率下的直接碳燃料电池的性能比较
• 4.4 阳极内部积碳和阳极外部堆碳的直接碳燃料电池的性能比较
• 4.5 本章小结
• 第5章 本文结论
• 5.1 本文主要工作和研究方法
• 5.2 本文主要结论
• 5.3 本文的主要创新点和不足
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果