直接碳燃料電池

直接碳燃料電池中陽極碳的電化學(xué)氧化天津大學(xué)化工學(xué)院天津大學(xué)化學(xué)工程聯(lián)合國家重點實驗室于金帥李永丹背景直接碳燃料電池實驗局部直接碳燃料電池的陽極模型實驗與模型的結(jié)合結(jié)論主要內(nèi)容CaoDX,JournalofPowerSources.167(2007)250–257.直接碳燃料電池是一種以固體碳作為燃料，通過氧氣和碳燃料之間的電化學(xué)反響獲得能量，產(chǎn)生電能的裝置。C+O2=CO2,E0=1.02V直接碳燃料電池的優(yōu)勢；理論電化學(xué)轉(zhuǎn)化效率可達100％ΔS≈0kJ/K實際能量轉(zhuǎn)化效率可達80%是普通燃煤發(fā)電站的兩倍比傳統(tǒng)的火力發(fā)電產(chǎn)生更少的污染碳燃料來源廣泛〔煤，石油，生物質(zhì)〕直接碳燃料電池簡介固體氧化物電解質(zhì)O2-離子陰極陽極熔融氫氧化物電解質(zhì)OH-離子陰極陽極熔融碳酸鹽電解質(zhì)CO32-離子陰極陽極不同的電解質(zhì)不同的導(dǎo)電離子不同的電極反響不同電解質(zhì)反響原理復(fù)合電解質(zhì)SEMSDC粉末SEM照片SDC形狀：棒狀長度：3~10μm復(fù)合電解質(zhì)粉末SEM照片SDC形狀：球狀SDC直徑：80nm復(fù)合電解質(zhì)片外表SEM照片復(fù)合電解質(zhì)片橫截面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離子:O2-離子:CO32-復(fù)合電解質(zhì):SDC+碳酸鹽Carbon+carbonate電解質(zhì)陽極陰極CathodegasCO2+O2不同碳燃料的電池性能不同陽極燃料碳材料的電流-電壓曲線不同陽極燃料碳材料的電流-功率曲線不同碳燃料的電池性能比較：AC>CB>G不同工作溫度下電池性能不同工作溫度下的電流-電壓曲線不同工作溫度下的電流-功率曲線陽極燃料:AC；陰極氣體:CO2/O22:1；Li/NaCO3+SDC電池性能隨溫度的升高而提高，其中在700oC和750oC下的最大功率密度為100mWcm-2JournalofPowerSources,2023,19:5581.不同陰極氣體的電池性能不同陰極氣體的電流-功率曲線不同陰極氣體的電流-電壓曲線陽極燃料:AC；工作溫度:700oC；Li/NaCO3+SDCJournalofPowerSources,2023,19:5581.J.PowerSources185(2023)1022–1029.Electrochim.Acta55(2023)1958–1965.碳顆粒熔融碳酸鹽CO32-CO24e-集流層陽極反應(yīng):C+2CO32-=3CO2+4e-陰極反應(yīng):O2+2CO2+4e-=2CO32直接碳燃料電池

碳分散于熔融碳酸鹽中的陽極反響模型碳顆粒的微觀結(jié)構(gòu)假設(shè)Aschematicillustrationofcrystalliteandgraphenesheetforcarbonblack(1-5nm)andgraphite(10-100nm)修正的Nernst公式：假設(shè)碳顆粒是活性碳原子和非活性碳原子的理想混合物不修正與修正的能斯特公式對實驗數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián).(-●-):能斯特公式,(-■-):修正的能斯特公式,(○):實驗數(shù)據(jù),(—):實驗數(shù)據(jù)擬合曲線

OCP/VElectrochim.Acta55(2023)1958–1965.模型對開路電勢的預(yù)測模型預(yù)測La對交換電流密度的影響EffectofLaonexchangecurrentdensityunderdifferenttemperatures.(-■-)923K,(-●-)973K,(-▲-)1023K,Left:carbonblack,right:graphite模型預(yù)測La對開路電勢的影響OCP/VOCP/VEffectofLaonOCPunderdifferenttemperature.Left:carbonblack,right:graphite模型預(yù)測La對活化極化的影響EffectofLaonactivationpolarizationunderdifferentcurrentdensity.Left:carbonblack,right:graphite基于甲烷裂解的能量轉(zhuǎn)化系統(tǒng)CH4

C+2H2+75kJ/mol提出甲烷裂解反響作為一個高效生產(chǎn)高純氫和高純碳的新過程甲烷裂解高效能量轉(zhuǎn)化系統(tǒng)StudinSurfSciCatal,2004,147,103EnergyandFuels,2000,14,1188碳纖維的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)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碳纖維La=11.2nm碳纖維的XRD結(jié)果碳纖維的SEM結(jié)果T=700oC陰極氣：CO2/O2(2:1)掃描速率:10mV/s電解質(zhì):SDC+碳酸鹽(7:3)陰極:SDC+LiNiO2(8:2)陽極:碳纖維+碳酸鹽〔15:85〕碳纖維的電化學(xué)氧化性能三電極系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖碳纖維的極化曲線陽極活化極化曲線與模型結(jié)果比照圖實驗結(jié)果優(yōu)化陽極活化極化模型碳纖維La=11.2nm結(jié)論：基于SDC/碳酸鹽復(fù)合電解質(zhì)，建立直接碳燃料電池系統(tǒng)。研究了不同碳燃料，不同溫度和陰極氣對燃料電池性能的影響。中選擇活性炭