直接碳燃料电池

直接碳燃料电池中阳极碳的电化学氧化天津大学化工学院天津大学化学工程联合国家重点实验室于金帅李永丹背景直接碳燃料电池实验局部直接碳燃料电池的阳极模型实验与模型的结合结论主要内容CaoDX,JournalofPowerSources.167(2007)250–257.直接碳燃料电池是一种以固体碳作为燃料，通过氧气和碳燃料之间的电化学反响获得能量，产生电能的装置。C+O2=CO2,E0=1.02V直接碳燃料电池的优势；理论电化学转化效率可达100％ΔS≈0kJ/K实际能量转化效率可达80%是普通燃煤发电站的两倍比传统的火力发电产生更少的污染碳燃料来源广泛〔煤，石油，生物质〕直接碳燃料电池简介固体氧化物电解质O2-离子阴极阳极熔融氢氧化物电解质OH-离子阴极阳极熔融碳酸盐电解质CO32-离子阴极阳极不同的电解质不同的导电离子不同的电极反响不同电解质反响原理复合电解质SEMSDC粉末SEM照片SDC形状：棒状长度：3~10μm复合电解质粉末SEM照片SDC形状：球状SDC直径：80nm复合电解质片外表SEM照片复合电解质片横截面SEM照片JournalofPowerSources,2023,19:5581.2024/1/5N22CO2+O2O2Cathode:O2+4e-→2O2-

Anode:C+2O2-→CO2+4e-

Overall:C+O2→CO2.+e-CO2离子:O2-离子:CO32-复合电解质:SDC+碳酸盐Carbon+carbonate电解质阳极阴极CathodegasCO2+O2不同碳燃料的电池性能不同阳极燃料碳材料的电流-电压曲线不同阳极燃料碳材料的电流-功率曲线不同碳燃料的电池性能比较：AC>CB>G不同工作温度下电池性能不同工作温度下的电流-电压曲线不同工作温度下的电流-功率曲线阳极燃料:AC；阴极气体:CO2/O22:1；Li/NaCO3+SDC电池性能随温度的升高而提高，其中在700oC和750oC下的最大功率密度为100mWcm-2JournalofPowerSources,2023,19:5581.不同阴极气体的电池性能不同阴极气体的电流-功率曲线不同阴极气体的电流-电压曲线阳极燃料:AC；工作温度:700oC；Li/NaCO3+SDCJournalofPowerSources,2023,19:5581.J.PowerSources185(2023)1022–1029.Electrochim.Acta55(2023)1958–1965.碳颗粒熔融碳酸盐CO32-CO24e-集流层阳极反应:C+2CO32-=3CO2+4e-阴极反应:O2+2CO2+4e-=2CO32直接碳燃料电池

碳分散于熔融碳酸盐中的阳极反响模型碳颗粒的微观结构假设Aschematicillustrationofcrystalliteandgraphenesheetforcarbonblack(1-5nm)andgraphite(10-100nm)修正的Nernst公式：假设碳颗粒是活性碳原子和非活性碳原子的理想混合物不修正与修正的能斯特公式对实验数据的关联.(-●-):能斯特公式,(-■-):修正的能斯特公式,(○):实验数据,(—):实验数据拟合曲线

OCP/VElectrochim.Acta55(2023)1958–1965.模型对开路电势的预测模型预测La对交换电流密度的影响EffectofLaonexchangecurrentdensityunderdifferenttemperatures.(-■-)923K,(-●-)973K,(-▲-)1023K,Left:carbonblack,right:graphite模型预测La对开路电势的影响OCP/VOCP/VEffectofLaonOCPunderdifferenttemperature.Left:carbonblack,right:graphite模型预测La对活化极化的影响EffectofLaonactivationpolarizationunderdifferentcurrentdensity.Left:carbonblack,right:graphite基于甲烷裂解的能量转化系统CH4

C+2H2+75kJ/mol提出甲烷裂解反响作为一个高效生产高纯氢和高纯碳的新过程甲烷裂解高效能量转化系统StudinSurfSciCatal,2004,147,103EnergyandFuels,2000,14,1188碳纤维的结构与性质Pos.[°2Th.]Height[cts]FWHM[°2Th.]d-spacing[?]Rel.Int.[%]30.621732052.201.16903.39001100.0049.62252726.120.90922.133198.5151.76645104.150.77932.0505715.9260.42971920.990.64941.778775.9963.99091258.021.68851.689443.9287.32503333.590.51481.2956210.40Scherrer公式：D=Kλ/βcosθ碳纤维La=11.2nm碳纤维的XRD结果碳纤维的SEM结果T=700oC阴极气：CO2/O2(2:1)扫描速率:10mV/s电解质:SDC+碳酸盐(7:3)阴极:SDC+LiNiO2(8:2)阳极:碳纤维+碳酸盐〔15:85〕碳纤维的电化学氧化性能三电极系统结构图碳纤维的极化曲线阳极活化极化曲线与模型结果比照图实验结果优化阳极活化极化模型碳纤维La=11.2nm结论：基于SDC/碳酸盐复合电解质，建立直接碳燃料电池系统。研究了不同碳燃料，不同温度和阴极气对燃料电池性能的影响。中选择活性炭