（热能工程专业论文）流化床电极直接碳转化燃料电池实验研究及模型计算.pdf

剃必 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 鞋日 期：型型夕 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 ，嘞唇“勃 研究生签名：! ：导师签名：日期：型) 摘要 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2 l 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( d i r e c tc a r b o nf u e lc e l l ， d c f c ) 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1 0 0 ：环境友好 无s o x 和n o x 排放；生成气体仅是c 0 2 ，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d c f c 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备生物质d c f c 活性炭实验，以橡木锯屑、竹子为原料，k 2 c 0 3 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h n 0 3 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，k 2 c 0 3 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k 2 c 0 3 活化后的 竹子活性炭其体积电阻率最小；h n 0 3 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 l 、活化温度为9 0 0 、活化时间为2 h 的工况下活化，不进行镍负载，2 m o l 1 h n 0 3 处理得到的d c f c 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2 7 5 m l m i n 时达到最人值；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0 2 c 0 2 流量的不断 增加，半电池性能也不断改善，但在1 0 r a l r a i n 、2 0 m l m i n 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0 2 c 0 2 流量的不断增加，半电池性能不断改善，但在1 0 m l m i n 、2 0 m l _ m i n 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n d , 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d c f c 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m a t l a b 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1 2 0 0 a m 2 时，阳极活化损耗为0 1 0 4 v ，阴极活化损耗为0 1 0 7 v ，阳极欧姆损 耗为o 1 3 7 v ，阴极欧姆损耗为0 1 5 6 v ，浓度损耗接近于零：随着：f 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。 关键词：d c f c ：生物质活性炭；流化床电极；数学模型；燃料电池 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ef i l e lc e l li st h eo n l yo n ep o w e rd e v i c et h a th a dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fn op o l l u t i o n h i 出c o n v e r s i o n e f i i c i e n c y , w i d ef l e x i b i l i t y , l o wn o i s e c o n t i n u o u so p e r a t i o na n dm o d u l a r i z a t i o n i ti sc o n s i d e r e dt h em o s t d e v e l o p m e n tp r o s p e c ta n dh i g h - p e r f o r m a n c ec l e a np o w e rg e n e r a t i o nt e c h n o l o g i e si n t h e21s tc e n t u r y d i r e c tc a r b o nf u e lc e l l ( d c f c ) i san e w e n e r g yc o n v e r s i o nd e v i c et h a td i r e c t l yu s e sc a r b o na st h ea n o d e f l l e l i th a st h ea d v a n t a g et h a ti 乜t h e o r e t i c a le l e c t r o c h e m i c a lc o n v e r s i o ne f f i c i e n c yi sc l o s et o1 0 0 e n v i r o n m e n t a l l yf r i e n d l ya n dn o n s o xa n dn o x e m i s s i o n s t h ee e l lp r o d u c e sac o n c e n t r a t e dc a r b o nd i o x i d e s t r e a m ，w h i c hi se a s i e ra n dc h e a p e rt oc a p t u r e ，aw i d er a n g eo ff u e ls o u r c e s ，av e r yh i g he n e r g yp e ru n i t v o l u m ea n ds i m p l es t r u c r n ew i t h o u tg a sr e s t r u c t u r i n g t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fad c f cw i l lb e a b l et oe f f i c i e n tu s eo fe x i s t i n ge n e r g yr e s o u r c e sa n de f f e c t i v e l yr e d u c ee n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n t h ec a r b o nr u e lo fd c f cw a sd i s c u s s e da n dt h ei n f l u e n c eo ft h eb a t t e r yp c r f o r m a n c e t h ef e a s i b i l i t y o fu s eb i o m a s sa c t i v a t e dc a r b o na sd c f cf u e lc a r b o nw a sa n a l y z e d i tw a sf o u n dt h a tb i o m a s sa c t i v a t e d c a r b o nh a dd i s o r d e r e ds t r u c t u r e ，w e l l - d e v e l o p e dp o r es t r u c t u r e ，l a r g es u r f a c ea r e a ，r i c hs u r f a c ef u n c t i o n a l g r o u p s ，l o wa s hc o n t e n t , l o ws u l f u rc o n t e n ta n dac e r t a i nd e g r e eo fc o n d u c t i v i t y t h e r em e a n e dt h eu s eo f b i o m a s sa c t i v a t e dc a r b o na sd c f cf u e lc a r b o nw o u l dh a v eag o o dp e r f o r m a n c e t h ee x p e r i m e n tw h i c hu s e do a ks a w d u s ta n db a m b o oa sr a wm a t e r i a lt op r e p a r ed c f ca c t i v a t e d c a r b o nb ya d o p t e dk 2 c 0 3c h e m i c a la c t i v a t i o nm e t h o dw e r es y s t e m a t i c a l l ys t u d i e do nt h es e l f - d e s i g n t u b u l a rf u r n a c e t h ei n f l u e n c eo ft h er a t i oo fk 2 c 0 3t oc a r b o n ，a c t i v a t i o nt e m p e r a t u r ea n da c t i v a t i o nt i m e o na d s o r p t i o np r o p e r t i e sw e r ee m p h a s i z e ds t u d i e d f u r t h e rm o r e t h ei n f l u e n c eo ft h ea c t i v a t e dc a r b o n s u r f a c em o d i f i c a t i o nt h r o u g hh n 0 3t r e a t m e n ta n dn i c k e ll o a dt oi m p r o v ec o n d u c t i v ep r o p e r t i e sw e r e s t u d i e dt o o t h er e s u l ts h o w e d 血a tk 2 c 0 1a c t i v a t i o nc a nb ev e r yg o o da tt h ei n c r e a s eo fs p e c i f i cs u r f a c e a r e a , a n dt h es p e c i f i cs u r f a c ea r e ao fb a m b o oa c t i v a t e dc a r b o nw a sg r e a t e rt h a no a ks a w d u s ta c t i v a t e d c a r b o n n i c k e ll o a dc o u l db ee f f e c f i v et oi m p r o v et h ee l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t yo fa c t i v a t e dc a r b o na n dr e d u c e t h ev o l u m er e s i s t i v i t y t h ev o l u m er e s i s t i v i t yo fb a m b o oa c t i v a t e dc a r b o nw a sm i n i m u m a c t i v a t e dc a r b o n t h r o u g hh n 0 3t r e a t m e n tc o u l ds i g n i f i c a n t l yi m p r o v et h ec o n t e n to fc a r b o ns u r f a c eo x y g e nf u n c t i o n a l g r o u p s ，d e c r e a s ea s hc o n t e n t , b u ts o m ee x t e n ti n c r e a s et h ev o l u m er e s i s t i v i t y i tw a ss y n t h e t i c a l l ya n a l y z e d t 1 1 a tt h eb e s td c f ca c t i v a t e dc a r b o nw a sp r e p a r e dw h e nt h er a t i oo fk 2 c 0 3t oc a r b o nw a sl ，a c t i v a t i o n t e m p e r a t u r ew a s9 0 0 a n da c t i v a t i o nt i m ew a s2 hb vu s e db a m b o oa sr a wm a t e r i a la n da d o p t e dk 2 c 0 3 c h e m i c a la c t i v a t i o nm e t h o d ，d i dn o tn i c k e ll o a d a n dl a s tw a st r e a t e db y2 m o l lh n 0 3 t h ed i f f e r e n t f u e l sa n dh a l f - c e l lp e r f o r m a n c eu n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n sw e r es t u d i e do nt h e s e l f - d e s i g nf l u i d i z e d - b e de l e c t r o d e sa n e d i ch a l f - c e l lt e s td e v i c e s i tw a sf o u n dt h a tw h e nu s eh y d r o g e na sa f u e l b e c a u s eo fe n h a n c e dm a s st r a n s f e r , t h ec u n e n td e n s i t ya n dl i m i t i n gc u r r e n td e n s i t yo fh a l f - c e l l i n c r e a s e dc o n t i n u o u s l yw i t ht h ei n c r e a s eo fh y d r o g e nf l o ww h e nd i dn o ta d dn i c k e lp a r t i c l e s m o na d d e d n i c k e lp a r t i c l e s ，a tf i r s t ，t h ec u r r e n td e n s i t ya n dl i m i t i n gc u r r e n td e n s i t yo fh a l f - c e l li n c r e a s e dc o n t i n u o u s l y w i t ht h ei n c r e a s eo fh y d r o g e nf l o wt o o ，a n dw e r em a x i m u ma th y d r o g e nf l o w2 7 5 m l m i n t h ei m p a c to f n i c k e lp a r t i c l e sa d d i t i o nw a ss t u d i e d 。i tw a sf o u n dt h a tt h eh a l f - e e l lp e r f o r m a n c ew a se n h a n c e dt w i c ew h e n a d dn i c k e lp a r t i c l e s t h eh a l f - c e l lp e r f o r m a n c ew o u l dc o n t i n u et oi m p r o v ew i t ht h ei n c r e a s eo f t e m p e r a t u r e 1 1 1 ef l u i d i z e db e de l e c t r o d ed i r e c tc a r b o nf u e le e l lh a db e e nd e s i g n e da n dt h ee l e c t r o c h e m i c a l o n e - d i m c n s i o n a ln u m e r i c a lm o d e l i n go ff l u i d i z e db e de l e c t r o d ed i r e c tc a r b o nf u e lc e l lw a se s t a b l i s h e db y u s i n gm a t l a bn u m e r i c a ls o f t w a r ei nt h ee n do ft h i sp a p e r t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h eo p e n - c i r c u i t v o l t a g ew a sd e c r e a s e dw i t ht h et e m p e r a t u r ei n c r e a s e w h e nt h ec u r r e n td e n s i t yw a s12 0 0 a m 。，a n o d i c a c t i v a t i o no v e rv o l t a g ew a s0 1 0 4 v , c a t h o d i ca c t i v a t i o no v e rv o l t a g ew a s0 1 0 7 v , a n o d i co h m i co v e r v o l t a g ew a s0 13 7 v , c a t h o d i co h m i co v e rv o l t a g ew a s0 15 6 v , c o n c e n t r a t i o no v e rv o l t a g ew a sc l o s et oz e f o w i t l lt h et e m p e r a t u r ei n c r e a s e ，t h ef u e lc e l lv o l t a g ed r o pd e c r e a s e da n dt h ep o w e rd e n s i t yi n c r e a s e d t h e i i a b s t r a c t f u e lc e l lp e r f o r m a n c ew a si m p r o v e dw h e nr e d u c e dt h ep a r t i c l es i z ea n di n c r e a s e dt h ec o n t a c ta r o a t h ef u e l c e l lp o w e rd e n s i t ya n di t sc h a n g ew i t ht h et e m p e r a t u r ew e l ea n a l y z e d i tw a sf o u n dt h a tt h ef u e lc e l lp o w e r d e n s i t yw a sh i g h e ra tl o wc o n d i t i o n k e y w o r d s ：d i r e c tc a r b o nf u e lc e l l ；b i o m a s sa c t i v a t e dc a r b o n ；f l u i d i z e db e de l e c t r o d e ；n u m e r i c a l m o d e l i n g ；f u e lc e l l i i i 东南大学硕上学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论。1 1 1 弓i 言1 1 2 直接碳燃料电池l 1 3 直接碳燃料电池原理3 1 3 1 碱性氢氧化物直接碳燃料电池原理3 1 3 2 熔融碳酸盐直接碳燃料电池原理3 1 3 3 同体氧化物直接碳燃料电池原理4 1 4 直接碳燃料电池研究进展与现状4 1 4 1 第一个直接碳燃料电池一晰l l i a mw j a c q u e s 4 1 4 2 斯坦福研究所( s r i ) r 0 b e nw e a v e r 。5 1 4 3 美国科学应用与研究协会( s a r a ) h i i l i a z c e e v i c 5 1 4 4 劳伦斯困家实验室( l l n l ) j o h nec o o p e a 7 1 4 5 斯坦福研究所( s r i ) 新型d c f c 8 1 4 6c e l l t e e hp o w e r 一9 1 4 7d i r e c tc a r b o nt e c h n o l o g i e s ( d c t ) 9 1 5 不同电解质的d c f c 的优缺点。1 0 1 6 直接碳燃料电池性能的影响因素研究现状1 0 1 6 1 温度的影响1 l 1 6 2 电池材料的影响1 l 1 6 3 气体流量的影响i l 1 6 4 燃料碳的影响。1 1 1 7 生物质活性炭作为d c f c 燃料碳的可行性分析一1 4 1 7 1 活性炭结构。1 4 1 7 2 活性炭的导电性能1 4 1 7 3 活性炭的表面官能团1 5 1 7 4 活性炭的灰分1 5 1 7 5 活性炭中的硫分l5 1 7 6 活性炭的颗粒尺寸、比表面积和孔隙结构：1 5 1 8 流化床电极直接碳燃料电池研究现状1 6 1 8 1 流化床电极1 6 1 8 2 流化床电极直接碳燃料电池1 6 1 9 本论文的研究内容1 7 第二章直接碳燃料电池活性炭的制各及表征方法1 9 2 1 实验原料及化学试剂1 9 2 2d c f c 活性炭的制各2 0 2 2 i 活性炭制备实验2 0 2 2 2 活性炭的导电性能改善试验2 0 2 2 3 活性炭的表面改性试验2 0 2 2 3 综合分析实验2 1 2 3d c f c 活性炭的表征2 l 2 3 1 活性炭的表面孔隙结构分析2 l 2 3 2 活性炭的微观结构分析2 1 2 4 本章小结2 2 第三章直接碳燃料电池活性炭制各实验研究结果及分析2 3 3 1 实验工况表2 3 3 2 活性炭比表面积和孔结构参数影响因素分析2 4 3 2 1 活化温度的影响2 5 3 2 2 碱炭比的影响。2 5 3 2 3 活化时间的影响2 6 i v 目录 3 3 活性炭导电性能影响因素分析。2 7 3 3 1 橡木锯屑活性炭导电性能影响因素分析2 7 3 3 2 竹子活性炭导电性能影响冈素分析2 8 3 4h n 0 3 处理对活性炭影响因素分析3 0 3 4 1t r n 0 3 处理对活性炭含氧官能团的影响3 0 3 4 2h n 0 3 处理对活性炭比表面积和孔容积的影响3 0 3 4 3i - i n 0 3 处理对活性炭体积电阻率的影响一3 l 3 4 4h n 0 3 处理对活性炭灰分的影响3 l 3 5 橡木锯屑活性炭与竹子活性炭的比较3i 3 6 本章小结3 2 第四章流化床电极阳极半电池实验研究3 3 4 1 弓f 言3 3 4 2 流化床电极阳极半电池实验装置。3 3 4 3 实验方法3 5 4 3 1 采用气体燃料h 2 的实验方法3 5 4 3 2 采用周体燃料碳燃料的实验方法3 6 4 4 实验结果与讨论3 7 4 4 1 氢气燃料流化床电极阳极半电池实验分析3 7 4 4 2 碳燃料流化床电极阳极半电池实验分析4 0 4 5 本章小结4 6 第五章流化床电极直接碳燃料电池数学模型研究。4 8 5 1 流化床电极直接碳燃料电池的结构设计。4 8 5 2 电极反应及假设条件。4 8 5 3 数学模型的建立4 9 5 3 1 电化学热力动力学方程。4 9 5 3 2 极化损耗5 0 5 3 3 电池效率。5 5 5 4 数学模型的求解及讨论5 6 5 4 1 开路电压。5 6 5 4 2 极化损耗特性一5 6 5 4 3 电流电压及电池功率特性。5 7 5 4 4 温度对电池性能的影响5 8 5 4 5 颗粒尺寸对电池性能的影响5 9 5 4 6 增大集电器面积对欧姆损耗的影响5 9 5 4 7 电池效率。6 0 5 5 本章小结6 0 第六章结论与建议6 2 6 1 结论。6 2 6 2 建议6 3 参考文献6 5 致谢6 9 硕士期间发表论文。7 0 v 第一章绪论 l 1 引言 第一章绪论 随着我国国民经济的持续、快速发展，能源的洁净高效利用逐渐成为非常紧迫的问题。传统的 能源利用方式是首先将燃料的化学能转变成热能，然后再转变成机械能和电能，由于受卡诺循环及 材料的限制，发电效率较低( 3 0 - - 4 5 ) ，且在发电过程中产生了严重的废水、废气、废渣、废热和 噪声污染。燃料电池是一种将燃料中的化学能直接转化为电能的装置，它不受卡诺循环的限制，发 电效率可达5 0 7 0 ；与传统的火电机组相比：n o x ( 2 p p m ) 和s 0 2 ( l p p m ) 排放量很少，c 0 2 排放 量可减少4 0 - - 一6 0 ，噪音t g ( 6 0 d 8 ) ；模块化结构；交负荷率高( 2 01 2 0 ) ：既可集中供电也适合 分散供电；占地面积小。因此，燃料电池被称为是继火电、水电和核电之后的第四代发电装置。 燃料电池是唯一同时具备低污染、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2 l 世纪最有发展前景的高效清洁的发电技术【l 】。美国矿物能源部长助理克西格斯说： “燃料电池在2 1 世纪上半叶在技术上的冲击影响，会类似于2 0 世纪上半叶内燃机所起的作用。”预 期燃料电池将会在国防和民用的电力、汽车、通讯和计算机等领域发挥重要作用。 同时燃料电池还是一种很好的分布式能源转化装置。科索沃战争中北约使用石墨炸弹破坏南联 盟电力系统、2 0 0 3 年美加大停电、1 9 9 6 年马来西亚全国大停电等事件充分说明以“大机组、大电网、 高电压”为特征的现代电力系统存在着巨大的安全隐患，未来电力系统应该是分布式和集中式的有 机集合。 近年来，随着化石燃料的日趋贫乏和环境保护日益受到重视，我国在能源和环保方面面临着巨 大的压力，迫切希望能够发展出高效、清洁的能源转化技术，而燃料电池则正好满足了这些要求， 因此其必将越来越受到重视。 1 2 直接碳燃料电池 燃料电池( f u e lc e l l ) 是一种将持续供给的燃料中的化学能连续不断地转化成电能的电化学装置。 目前研制的燃料电池一般分为五种基本类型：碱性燃料电池( a f c ，a l k a l i n ef u e lc e l l ) 、磷酸燃料 电池( p a f c ，p h o s p h o r o u sa c i df u e lc e l l ) 、质子交换膜燃料电池( p e m f c ，p r o t o ne x c h a n g em e m b r a n e f u e lc e l l ) 、熔融碳酸盐燃料电池( m c f c ，m o l t e nc a r b o n a t ef u e l c e l l ) 和固体氧化物燃料电池( s o f c ， s o l i do x i d ef u e lc e l l ) 。其电池工作温度分别为6 0 2 2 0 、1 8 0 - - 2 1 0 、6 0 8 0 、6 5 0 7 0 0 和 8 0 0 1 0 0 0 。c 2 捌。 直接碳燃料电池( d c f c ) 中碳燃料发生电化学反应时存在很高的活化能垒，因此d c f c 的电 池工作温度都是很高的，也就是说d c f c 主要是以高温燃料电池为基础发展起来的一种新型的燃料 电池。一般按其电解质的不同可分为：碱性氢氧化物直接炭燃料电池睁1 0 1 、熔融碳酸盐直接炭燃料电 池 1 1 - 1 4 1 和固体氧化物直接炭燃料电池【1 孓1 7 1 。 作为燃料电池的一种，直接碳燃料电池( d c f c ) 原理为碳( 碳的衍生物) 和氧气经过电化学反应直 接产生电能，不必进行气化；具有转化效率高、清洁、燃料适应性广的特点。直接碳燃料电池工作 温度4 0 0 - - 一1 0 0 0 ( 2 ，可以采用石墨、活性炭、煤焦炭、生物质焦炭等为燃料【l 9 1 。作为新型清洁高 效的发电技术，d c f c 有着非常显著的优点： ( 1 ) d c f c 的理想热力效率为1 0 0 。d c f c 的总反应为： c + 0 2 ( g ) 一c 0 2 ( g ) e ”= 1 0 2 v ( 1 一1 ) 东南大学硕士学位论文 d c f c 总反应的g i b b s 自由能a g 转化成电能，因此吉布斯自由能与可逆电压的关系为： eo：一ag(1-2) 刀f 电池的理想热力效率为： ：骥(1-3)fit h e r m o 一1 丽 对于d c f c ，用于做功的最大能量等于吉布斯自由能。因此d c f c 的理想热力效率可以写成 ：丝(1-4)etm , m o2 2 a h 其中g 、a h 分别为反应的吉布斯自由能的变化、反应焓变。以温度为6 0 0 c 为例，在6 0 0 c 下，g 一3 9 5 4k j m o l ，h = 3 9 4 0k j m o l ，故d c f c 的理想热力学效率接近1 0 0 ，由于极化、内 阻和燃料利用不完全等因素，d c f c 的实际效率为： 嘲1 2 慨；s m = 蛔时缸硝( 1 - 5 ) 其中：，_ d c f c 的实际效率； 占t j i 口。- d c f c 的理想热力效率； s 毗钟- d c f c 的电压效率； s 榭_ d c f c 的燃料利用效率； 矿实际工作电压，v ； e o 热力学可逆电压，v 。 表1 1 电池效率 由以上公式可以求得d c f c 实际电效率可高达8 0 ，采用天然气的燃料电池尚未超过6 1 ，而 氢燃料电池只有4 7 1 1 3 l ，表1 1 为采用碳、甲烷、氢气为燃料时电池的效率。 ( 2 ) d c f c 直接采用碳作为燃料，它与其他燃料燃料电池相比，每升氧气氧化的碳( 燃料) 会放 出更多的能量2 0 1 0 k w h l ，而氢气为2 1 4 k w h l ，甲烷为4 1 2 k w h l t z o j 。而且碳燃料可以为煤、 石油焦、生物质碳、石墨、焦炭等，其来源非常广泛，易于得到，而且相对于m c f c 、s o f c 采用 氢气为燃料其原料成本大大降低。 ( 3 ) d c f c 结构简单，无需气体重整。相对于m c f c 和s o f c ，d c f c 不存在气体重整，从而 使得d c f c 的结构非常简单。 ( 4 ) d c f c 电池反应生成气体仅是c 0 2 ，便于回收，能够有效的缓解温室效应1 2 睨。d c f c 由 于发生电化学反应，其燃料和氧化剂是分开的，而且反应释放出来的只有c 0 2 ，使得d c f c 相对于 燃煤发电技术，可以降低5 0 的c 0 2 排放，其废气排放只相当于燃煤发电技术的十分之一。同时配 合使用c 0 2 捕获技术，能够使得d c f c 发电技术实现零排放。 2 第章绪论 1 3 直接碳燃料电池原理 d c f c 是在高温燃料电池上发展起来的，而对于不同种类的燃料电池由于其电解质、材料、结 构等的不同，导致其工作原理也有所不同。下面分别介绍碱性氢氧化物直接碳燃料电池、熔融碳酸 盐直接碳燃料电池和固体氧化物直接碳燃料电池这三种电池的原理。 1 3 1 碱性氢氧化物直接碳燃料电池原理 碱性氢氧化物直接碳燃料电池一直不被人们重视是由于其存在氢氧根离子与产物c 0 2 反应生成 碳酸根离子，其反应方程式为： 2 0 h 一+ c 0 2 = a 讲一+ h ，o ( 1 - 6 ) 这样将使得碱性氢氧化物直接碳燃料电池的性能丧失。但目前实验发现，只要能够确保电解液中含 有高水分将能够有效的阻止碳酸根离子的形成