直接碳燃料电池研究

• 作 者: 章睿
• 机 构: 天津大学
• 出 处: 天津大学
• 发表日期: 2006年期
• 关键词: 燃料电池 甲烷直接裂解 碳燃料电池

环境、能源和经济是人类21世纪实现可持续发展所面临的主要问题。直接碳燃料电池作为一种高效且清洁的新技术在能源和环保方面具有相当的前景。
和传统的甲烷水蒸气重整制氢相比，甲烷直接裂解制氢过程简单并且可以同时得到氢和碳。得到的高纯度氢和纳米碳纤维分别通入氢燃料电池和碳燃料电池，使整个过程的能效大大提高。本文利用有效能的方法对这一高效能源系统进行了热力学分析，体系能量优化后目的有效能效率为76.8％，普遍有效能效率为86.69％，并且发现质子膜燃料电池的电效率对系统的整体效能的影响最大。
本文从碳燃料电池的结构原理出发，在实验室建立了碳燃料电池单电池模型，并且获得了稳定的电流电压输出。采用双舱式结构，以黄金电极和氧化铝陶瓷管为基本组件组装了参比电极，并在陶瓷管底部用激光打出100μm的孔限制扩散，参比气体为CO2和O2的混合气，进气比2∶1。根据燃料和电极的不同，设计了ZRLI-X(X=1，2,3)系列碳燃料电池。ZRLI-1直接采用石墨做阳极，多孔镍管作阴极；ZRLI-2把石墨颗粒直接分散在电解质中，并采用边长3cm的方形镍片作研究电极。ZRLI-3采用甲烷裂解得到的多壁纳米碳管做阳极，不锈钢做电池材料，并且制备了和参比电极结构类似的双舱式工作电极。
本文还对ZRLI-X(1，2,3)的电流电位计时性能，极化特性和交流阻抗进行了研究。石墨棒做燃料时，稳态输出开路电压0.72V，起始氧化电位为-0.85V，功率密度达2.556mW/cm2。石墨颗粒做燃料时输出电流和开路电位都有所下降，且十分不稳定，平均开路电位0.67V。原因可能是由于缺乏搅拌石墨颗粒的氧化引起了浓度分布梯度，并且石墨在熔融碳酸盐中的溶解度十分小，限制了电极反应的区域只能在电极和熔融盐的接触表面进行。纳米碳纤维作阳极时起始氧化电位比石墨略高，稳态输出开路电压0.84V，电流密度达34.55mA/cm2，ZRLI-3的输出功率为29mW/cm2，但极化速率和阳极电流密度均为石墨的10倍左右，具有很好的活性。最后我们还对纳米碳纤维作阳极时电解池的等效电路做了探讨。