直接碳燃料電池研究.pdf

1、環(huán)境、能源和經(jīng)濟(jì)是人類21世紀(jì)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展所面臨的主要問題。直接碳燃料電池作為一種高效且清潔的新技術(shù)在能源和環(huán)保方面具有相當(dāng)?shù)那熬啊?和傳統(tǒng)的甲烷水蒸氣重整制氫相比，甲烷直接裂解制氫過程簡單并且可以同時(shí)得到氫和碳。得到的高純度氫和納米碳纖維分別通入氫燃料電池和碳燃料電池，使整個(gè)過程的能效大大提高。本文利用有效能的方法對這一高效能源系統(tǒng)進(jìn)行了熱力學(xué)分析，體系能量優(yōu)化后目的有效能效率為76.8％，普遍有效能效率為86.69％，并且

2、發(fā)現(xiàn)質(zhì)子膜燃料電池的電效率對系統(tǒng)的整體效能的影響最大。 本文從碳燃料電池的結(jié)構(gòu)原理出發(fā)，在實(shí)驗(yàn)室建立了碳燃料電池單電池模型，并且獲得了穩(wěn)定的電流電壓輸出。采用雙艙式結(jié)構(gòu)，以黃金電極和氧化鋁陶瓷管為基本組件組裝了參比電極，并在陶瓷管底部用激光打出100μm的孔限制擴(kuò)散，參比氣體為CO2和O2的混合氣，進(jìn)氣比2∶1。根據(jù)燃料和電極的不同，設(shè)計(jì)了ZRLI-X(X=1，2,3)系列碳燃料電池。ZRLI-1直接采用石墨做陽極，多孔鎳管作陰

3、極；ZRLI-2把石墨顆粒直接分散在電解質(zhì)中，并采用邊長3cm的方形鎳片作研究電極。ZRLI-3采用甲烷裂解得到的多壁納米碳管做陽極，不銹鋼做電池材料，并且制備了和參比電極結(jié)構(gòu)類似的雙艙式工作電極。 本文還對ZRLI-X(1，2,3)的電流電位計(jì)時(shí)性能，極化特性和交流阻抗進(jìn)行了研究。石墨棒做燃料時(shí)，穩(wěn)態(tài)輸出開路電壓0.72V，起始氧化電位為-0.85V，功率密度達(dá)2.556mW/cm2。石墨顆粒做燃料時(shí)輸出電流和開路電位都有所下

4、降，且十分不穩(wěn)定，平均開路電位0.67V。原因可能是由于缺乏攪拌石墨顆粒的氧化引起了濃度分布梯度，并且石墨在熔融碳酸鹽中的溶解度十分小，限制了電極反應(yīng)的區(qū)域只能在電極和熔融鹽的接觸表面進(jìn)行。納米碳纖維作陽極時(shí)起始氧化電位比石墨略高，穩(wěn)態(tài)輸出開路電壓0.84V，電流密度達(dá)34.55mA/cm2，ZRLI-3的輸出功率為29mW/cm2，但極化速率和陽極電流密度均為石墨的10倍左右，具有很好的活性。最后我們還對納米碳纖維作陽極時(shí)電解池的等效