直接碳燃料电池技术研究进展分析
直接碳燃料电池技术发展
直 接 碳 燃 料 电 池 技 术 发 展
左春柽 ， 张 昭 ， 杨 洋 ， 张 明 ， 波 林 洪
吉林 大学机 械科 学 与 工程 学院 ， 吉林 长春 １ ０ ２ ３０ ２
［ 摘
技术经济 综 述
要 ］ 直接碳 燃 料 电池 （ Ｆ ） 碳 燃料 与 空气发 生 电化 学反应 ， 化 学能 直接 转 化 为 电能 的 ＤＣ Ｃ 是 将
ｔ ｒ ｎ ｆ ｒ ｔ ｎｅ ｆ ｉｎ ｙｏ ＣＦ ｃ ｎ ｒａ ｈ ｍｏ ｅ ｔ ａ ０％． ｓ ｄ ｏ ｉｆｒ ｎ ｌｃｒ ｌｔ ｓ ＤＣＦＣ ｈ ａ ｓｏ ｍａｉ ｆｉ ｅ ｃ ｆＤ Ｃ ａ ｅ ｃ ｒ ｈ ｎ ８ ｏ ｃ Ｂａ ｅ ｎ ｄｆｅ ｅ ｔｅｅ ｔｏ ｙ ｅ ，
Ａｂ ｔａ ｔ Ｔｈ ｉｅ ｔ ｃ ｒ ｏ ｕ ｌｃ ｌ （ ＦＣ） ａ ｅ ｐ ｗｅ ｅ ｅ ａ ｉ ｎ ｄ ｖ ｃ ｓ ｗｈ ｃ ｒ ｎ ｆ ｒ ｃ ｅ ｃ ｌ ｓｒ ｃ ： ｅ ｄ ｒ ｃ ａ ｂ ｎ ｒ ｅ ｅ ｌ ＤＣ ｓ ｒ ｏ ｒ ｇ ｎ ｒ ｔｏ ｅ ｉｅ ｉｈ ｔ ａ ｓ ｏ ｍ ｈ ｍｉ ａ
前具 有代 表性 的 Ｄ Ｆ Ｃ Ｃ结构 及研 究现 状 。
［ 关
键
词 ］ 直接 碳 燃料 电池 ； 电化 学反 应 ； 电解质 ； 电池结 构
［ 中图分 类 号］ Ｔ Ｋ６
［ 献标 识 码］ Ａ 文
燃料电池技术的研究进展
燃料电池技术的研究进展一、引言燃料电池技术是一种将化学能直接转化成电能的高效能源转换技术。
其作用是利用可再生的燃料和氧气，通过电化学反应产生电能，同时实现低污染、高效能的能源转换方式。
燃料电池技术已经在汽车、船舶、轨道交通、电力、航空航天等领域得到广泛应用。
本文将就燃料电池技术的研究进展进行探讨。
二、燃料电池技术的分类一般将燃料电池技术按照电解质的类型来划分：1.质子交换膜燃料电池（PEMFC）：质子交换膜燃料电池使用固态聚合物质子交换膜作为电解质，可应用于车载和便携式电源等领域。
该技术的主要特点是功率密度高、响应速度快、启动时间短、安全性高，但其价格更昂贵。
2.碱性燃料电池（AFC）：碱性燃料电池是指使用液态碱性质子交换膜作为电解质，在高温下较好地发挥作用。
虽然具有输出电流大、长时间稳定性好等优点，但使用中需要高温，并使用氢氧化钾溶液作为碱性电解质，制备难度和成本高。
3.直接甲醇燃料电池（DMFC）：直接甲醇燃料电池使用液态甲醇作为燃料，可以实现能量密度高、易于存储、先进简便的特性，但其开路电压较低、催化剂选择性差、氧化甲醇的能力差并且随着DMFC的使用过程中需要考虑甲醇的渗透损失。
4.固体氧化物燃料电池（SOFC）：固体氧化物燃料电池是使用高温固态电解质的燃料电池技术，具有节约燃料、高效利用热能、污染低、高效率等特点。
但是SOFC的制造工艺成本高，且由于运行温度高使得材料寿命较短。
5.磷酸燃料电池（PAFC）：磷酸燃料电池是指使用浓磷酸作为电解质的燃料电池，使用液态燃料，在运行时稳定性高，输出电流均匀。
但是磷酸电解质会腐蚀电极和导线，导致材料损坏。
三、燃料电池技术的研发方向1.提高燃料电池的效率，降低成本：由于目前的燃料电池与传统燃油发电的竞争力存在差距，因此需要持续研究降低燃料电池的成本，并提高其效率，以满足真正的工业化应用需要。
国内外科学家正在对催化剂的选择、反应体系、电质材料和堆件设计等方面进行深入研究。
燃料电池技术的研究进展和应用前景
燃料电池技术的研究进展和应用前景随着环保意识的不断升温和化石能源的日益减少，新能源技术逐渐成为人们关注的焦点。
其中，燃料电池技术以其高效、环保、可靠等特点备受瞩目。
本文将对燃料电池技术的研究进展和应用前景进行探讨。
一、燃料电池技术概述燃料电池技术是指利用氢气和氧气等气体或有机物质等化学物质，在催化剂的作用下通过电化学反应转化为电能的一种技术。
与传统燃烧发电相比，燃料电池技术具有高能效、零污染、静音等优点，被认为是未来清洁能源的重要选择。
目前，燃料电池技术主要包括质子交换膜燃料电池、固体氧化物燃料电池、碱性燃料电池等类型。
每种燃料电池技术的反应原理、材料及结构都有所不同，适用于不同的应用领域。
二、燃料电池技术的研究进展近年来，燃料电池技术在各领域得到了广泛应用。
以质子交换膜燃料电池为例，其在汽车、家庭、电力和航空航天等领域均有应用。
在应对能源危机和环境污染等问题上，燃料电池技术发挥着越来越重要的作用。
以下是燃料电池技术的研究进展：1. 材料方面的进展燃料电池的关键材料包括阳极、阴极、电解质等部分。
近年来，燃料电池材料的研发成为了燃料电池领域的热门话题。
研究者通过不断改进材料的性能，以提高燃料电池的耐久性、效率和稳定性。
2. 系统集成方面的进展燃料电池基础研究中心在燃料电池领域里积极进行质子交换膜燃料电池系统高效低成本多反应器组流量分配器的研究，研究者提出了较创新的思路，取得了一定的进展。
同时，压缩式多反应器组燃料电池系统、积极微面条件下的燃料电池系统等也是研究热点。
3. 应用方面的进展燃料电池技术的应用范围越来越广泛。
在燃料电池汽车领域，包括特斯拉、丰田、本田等多家汽车制造商已纷纷加入到燃料电池汽车的研究和生产中。
除此之外，燃料电池系统还可应用于舰船、飞机、数码产品、船舶及城市燃气供应等领域。
三、燃料电池技术的应用前景燃料电池技术具有开发潜力巨大且应用前景广阔的优势。
预计到2050年，全世界能源需求将增长70%至80%。
燃料电池的最新研究进展
燃料电池的最新研究进展燃料电池是一种利用氢气、甲烷等燃料和氧气之间的化学反应产生电能的新型能源转换技术。
相比传统燃烧发电，燃料电池具有高效、清洁、静音、低污染等优点，因此被认为是未来能源转型的重要之一。
本文将介绍燃料电池的最新研究进展，包括技术进展、应用场景以及未来发展方向等。
一、技术进展1. 新型催化剂催化剂是燃料电池反应过程中至关重要的组成部分。
燃料电池用的催化剂通常采用贵金属，如铂、钯等，这导致燃料电池成本较高，限制了其广泛应用。
近年来，研究人员提出了新型催化剂，如非贵金属催化剂、核壳结构催化剂和单原子催化剂等，这些新型催化剂在性能和成本上都有所改进。
2. 新型燃料近年来，研究人员提出了多种新型燃料，如甲醇、乙醇等可再生能源和富氢甲烷等。
这些新型燃料具有储运方便、高能量密度等特点，将有助于燃料电池的广泛应用。
3. 高效导电材料燃料电池内的电解质通常是高分子膜，具有良好的离子传输性能。
但是，传输组分的渗透和电子散失仍然是影响燃料电池性能的重要因素。
因此，研究人员提出了多种高效导电材料，如氧化物半导体和导电高分子材料等，这些材料可以提高燃料电池的导电性，从而提高其效率。
二、应用场景1. 交通运输燃料电池在交通运输领域有广泛应用前景。
商用车辆已经在多个国家开始试运营，如日本、美国等。
与传统的内燃机车辆相比，燃料电池车辆具有零排放、无噪音、高效率等优点。
此外，燃料电池的加注时间短、续航里程长等特点也有利于其在交通运输中的应用。
2. 家庭能源随着家庭能源需求的增长，燃料电池正在成为一种新的家庭能源解决方案。
在德国、日本等多个国家，实现了家庭燃料电池的定量生产。
在这些应用场景下，燃料电池不仅可以提供电力供应，还可以为家庭提供暖水、暖气供应等。
3. 移动电源燃料电池在移动电源领域逐渐有应用示范。
通过小型可携式燃料电池技术的研究开发，可以为手机、笔记本电脑等设备提供长时间的电源供应。
这种燃料电池简单、便携、高效的特点将使其在未来的市场需求中更加广泛。
燃料电池的研究进展综述
燃料电池的研究进展综述⼀. 燃料电池简介1.定义燃料电池(Fuel Cells)是⼀种不需要经过卡诺循环的电化学发电装置，能量转化率⾼。
燃料和空⽓分别送进燃料电池，电就被奇妙地⽣产出来。
它从外表上看有正负极和电解质等，像⼀个蓄电池，但实质上它不能“储电”⽽是⼀个“发电⼚”。
由于在能量转换过程中，⼏乎不产⽣污染环境的含氮和硫氧化物，燃料电池还被认为是⼀种环境友好的能量转换装置。
由于具有这些优异性，燃料电池技术被认为是21世纪新型环保⾼效的发电技术之⼀。
随着研究不断地突破，燃料电池已经在发电站、微型电源等⽅⾯开始应⽤。
2.基本结构燃料电池的基本结构主要是由四部分组成，分别为阳极、阴极、电解质和外部电路。
通常阳极为氢电极，阴极为氧电极。
阳极和阴极上都需要含有⼀定量的电催化剂，⽤来加速电极上发⽣的电化学反应，两电极之间是电解质。
图1.燃料电池基本结构⽰意图3.分类⽬前燃料电池的种类很多，其分类⽅法也有很多种。
按不同⽅法⼤致分类如下：(1)按运⾏机理来分类：可分为酸性燃料电池和碱性燃料电池；(2)按电解质的种类来分类：有酸性、碱性、熔融盐类或固体电解质；图2.燃料电池分类详细介绍(3)按燃料的类型来分类：有直接式燃料电池和间接式燃料电池；(4)按燃料电池⼯作温度分：有低温型(低于200℃)；中温型(200-750℃)；⾼温型(⾼于750℃)。
4.原理燃料电池的⼯作原理相对简单，主要包括燃料氧化和氧⽓还原两个电极反应及离⼦传输过程。
早期的燃料电池结构相对简单，只需要传输离⼦的电解质和两个固态电极。
当以氢⽓为燃料，氧⽓为氧化剂时，燃料电池的阴阳极反应和总反应分别为：阳极：H2 → 2Ｈ＋＋2ｅ-阴极：1/2 O2＋2Ｈ＋＋2ｅ-→Ｈ2O总反应：H2＋1/2Ｏ2 →H2O其中，Ｈ2通过扩散达到阳极，在催化剂作⽤下被氧化成和ｅ-，此后，Ｈ通过电解液到达阴极，⽽电⼦则通过外电路带动负載做功后也到达阴极，从⽽与O2发⽣还原反应（ORR）。
燃料电池的原理和研究进展
燃料电池的原理和研究进展燃料电池是一种新型电化学能源转换设备，通过将氢气或含氢化合物与氧气反应，产生电能的同时释放水和热能。
它被认为是未来能源的一个重要方向，因为它具有高效、环保、可再生等特点，并能在移动设备、汽车、船舶等多个领域得到广泛应用。
本文将介绍燃料电池的原理和研究进展。
一、燃料电池的原理燃料电池是一种将化学能直接转化为电能的装置。
它的基本原理是氢气或含氢化合物与氧气在催化剂的帮助下发生氧化还原反应，产生电流和水。
燃料电池通常包括四个主要部分：正极、负极、电解质和催化剂。
电极通常是由铂、铑等贵金属制成的，以提高化学反应速率。
在电解质中，离子与电子之间发生传递，产生电荷变化，形成电流。
而催化剂则作为化学反应的催化剂，在化学反应中起到加速反应的作用。
不同种类的燃料电池有着不同的原理。
例如，质子交换膜燃料电池（PEMFC）采用质子交换膜作为电解质，氢气通过阳极加入，与催化剂反应产生电流；同时氧气通过阴极加入，在与阳极产生的质子结合后产生水。
固体氧化物燃料电池（SOFC）则采用固态氧化物作为电解质，在高温下实现有氧氧化反应。
二、燃料电池的研究进展燃料电池的研究始于19世纪，但至今仍面临着许多技术难题。
主要问题在于制造成本高、催化剂活性不高、寿命短、燃料电池使用过程中会产生二氧化碳等有害气体等。
近年来，关于燃料电池的研究也取得了一系列的突破。
1、芳香性单体复合材料催化剂芳香性单体复合材料是一种新型有机-无机材料，可用于燃料电池的催化剂。
研究人员发现，该材料的催化活性是传统的铂催化剂的2.5倍以上，而制造成本却只有其一半。
这一技术突破，为新能源领域的可持续发展提供了更为广阔的空间。
2、高效金属有机框架材料金属有机框架材料（MOF）是一种由金属离子和有机配体组成的陈列结构材料。
研究人员发现，该种材料能够作为燃料电池催化剂，具有优异的催化活性和稳定性，能够提高燃料电池的效率与使用寿命。
此外，该种材料通过合成方法可以进行精确控制，还具有高比表面积和可控的孔结构等特点。
新一代燃料电池技术的研究进展与发展趋势
新一代燃料电池技术的研究进展与发展趋势燃料电池技术是一种以氢气和氧气为燃料，产生水和电的技术。
近年来，随着环保意识的不断提高和新能源的紧迫需求，燃料电池技术的研究逐渐受到了广泛关注。
本文将阐述新一代燃料电池技术的研究进展和发展趋势。
第一阶段：传统燃料电池技术传统燃料电池技术最常用的是质子交换膜燃料电池（PEMFC）。
PEMFC是一种高效的燃料电池，其电化学效率达到了高达70%以上。
这种燃料电池可以快速启动，响应速度快，能够为整个能源系统提供快速、稳定的电能。
然而，这种技术的发展存在一些限制，如催化剂的催化效率低、膜的成本高、温度稳定性差等问题。
第二阶段：新型燃料电池技术为了克服传统燃料电池技术存在的缺点，新型燃料电池技术正在不断发展。
其中最突出的就是固体氧化物燃料电池（SOFC）和高温聚合物电解质燃料电池（HT-PEMFC）。
1.固体氧化物燃料电池SOFC是一种高效、可靠、具有高度稳定性和长寿命的燃料电池。
与传统的PEMFC相比，SOFC所使用的氧化物电解质可以增加燃料电池的工作温度，从而提高热效率。
此外，氧化物电解质稳定性高，使用寿命长，可避免膜失效等问题。
2.高温聚合物电解质燃料电池HT-PEMFC是一种新型的高温聚合物电解质燃料电池，它能够在高达120℃的温度下工作。
这种燃料电池使用的质子交换膜不同于传统PEMFC所使用的膜，在高温下具有更好的化学稳定性和更好的氧化稳定性。
因此，HT-PEMFC可以使用更便宜的催化剂，从而降低制造成本。
第三阶段：未来燃料电池技术未来的燃料电池技术将继续关注材料和设计方面的创新，从而提高性能和降低成本。
以下是未来燃料电池技术的几个重要趋势：1.新型材料的应用作为燃料电池的核心材料之一，催化剂是一个持久的研究热点。
新型催化剂将在未来的燃料电池技术中发挥更大的作用，以取代目前使用的昂贵的白金催化剂。
此外，新的离子交换膜、电解质和氧化物电解质也将得到关注。
2.提高效率和可靠性燃料电池技术的效率和可靠性是众所周知的问题，解决这些问题仍是未来燃料电池技术的重要目标。
直接碳燃料电池工艺设计研究进展
关键 词 ： 直接碳燃料电池； 工艺设计； 减排
Ｒｅ ｅ ｒ ｈ Ｐｒ ｇ ｅ ｓ ｏ ｔ ｃ ｓ ａ ｃ ｏ ｒ ｓ ｎ ｈｅ Ｔｅ ｈｎｏ ｏ ｙ Ｄｅ ｉ ｎ ｏ ｒ ｃ ｒ ｎ Ｆｕｅ ｌ ｌ ｇ ｓｇ ｆＤｉ ｅ ｔ Ｃａ ｂｏ ｌＣｅｌ
Ｚ Ａ ｉ ｐｎ ， Ｉ ｉｏ— ｕ ｎ ＬＵ Ｌｉ Ｚ Ａ Ｇ ｙ ｘ ａ ， ＶＸ ａ ｌ Ｈ ＮＧＸ ｕ— ｉｇ Ｌ ＵＸ ａ ｊ ａ ， Ｉ ｅ， Ｈ Ｎ Ｍ— ｕ ｎ Ｌ ｉｏ— ｉ （ｃｏｌ ｆ ｈ ｍｃｌ ｎｉ ｅｉ ｎ ｅｈ ｏ ｇ ， ｈ ａＵ ｉ ｒｔ ｏ Ｍ ｎ ｇａｄＴｃｎｌ ， ｉ ｇ ｕｈｕ２ １ ８ Ｃ ｎ ） Ｓｈｏ ｏ ｅ ｉ ｇ ｅｒ ｇａｄＴｃｎｌ ｙ Ｃ ｉ ｎｖ ｓｙ ｆ ｉ ｎ ｅｈｏ ｇ Ｊ ｎ ｓ Ｘ ｚｏ ２０ ， ｈ ａ Ｃ ａＥ ｎ ｎ ｏ ｎ ｅ ｉ ｉ ｎ ｏ ｙ ａ ｕ ０ ｉ
Ａｂ ｔａ ｔ ｓ ｒ ｃ ：Ｔｈ ｒ ｃ ａ ｂ ｎ ｆ ｅ ｅｌｗａ ｌ ｅｆｃｅ ｔａ ｄ ｅ ｖ ｒ ｎ ｎ ａ ｒｅ ｄ ｙ ｆ ｅ ｅｌｔｃ ｏｏ ｙ，ｉ ｈｅ ｒ ｔ ａ ｅ ｄｉｅ ｔｃ ｒ ｏ ｕ ｌｃ ｌ ｓａｌ ｆｉｉ ｎ ｎ ｎ ｉｏ ｍｅ ｔｌｆｉｎ ｌ ｕ ｌｃ ｌ ｅ ｈｎ ｌ ｇ ｔ ｔ ｏｅｉ ｌ ｓ ｃ
ｅ ｃｅ ｃ ｓ １ ０％ ａ ｈ ｆ ｃｉ ｅ ｅ ｃｅ ｃ ｏ ｌ ｅ ｃ ０％ ． Ｃｏ ａ ｅ ｔ ｔ ｅ ｕ ｌｃ ｌ ｔ ｃ ｏｏ ｉｓ，ｔ ｅ ｄ ｒ ｃ ｉ ｆ ｉｎ ｙ ｗａ ０ ｎｄ ｔ ｅ ｅｆ ｔｖ ｆ ｉ ｎ ｙ ｃ ｕ ｄ ｒ ａ ｈ ８ ｅ ｉ ｍｐ ｒ ｄ ｗｉｈ ｏ ｈ ｒｆ ｅ ｅｌ ｅ ｈｎ ｌｇ ｅ ｈ ｉｅ ｔ ｃ ｒ ｏ ｕ ｌｃ ｌ ｒ ｓ ａ ｃ ｓｓｉｌａ ｎ ｅ ｅ ｎａ ｙ ｓａ ｅ ａ ｂ ｎ ｆ ｅ ｅｌ ｅ ｅ ｒ ｈ ｗａ ｔｌ ｔａ ｌｍｅ ｔｒ ｔｇ ．Ｔｈ ｒｎ ｉ ｅ，ｐ ｅ ｅ ｔｔ ｃ ｎｉｕ ｅ ｉｎ ｏ ｅ ｐ ｉ ｃｐｌ ｒ ｓ ｎ ｅ ｈ ｑ ｅ ｄ ｓｇ ｆＤＣＦＣ，ａ ｄ ｃ ｒ ｏ — ｎ ａ ｂ ｎ ｅ ｍｉｓｏ ｅ ｃｉｎ ｗｅｅ ｄ ｓ ｕｓｅ ｓｉ ｎ ｒｄｕ ｔｏ ｒ ｉｃ ｓ ｄ，ａ ｈ ｅ ｈ ｉａ ｉ ｃ ｌｉｓ ｉ ｈ ｎｄ ｔ ｅ ｔｃ ｎ ｃ ｌｄ ｆ ｕ ｔ ｎ ｔ ｅ ＤＣＦＣ ａ ｄ ｔ ｅ ｐ ｏ ｐ ｃ ｆＤＣＦＣ ｔｃ ｎ ｌｇ ｒ ｉ ｅ ｎ ｈ ｒ ｓ ｅ ｔｏ ｅ ｈ ｏ ｏ ｙ ｗｅｅ
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
(清华大学 热科学与动力工程教育部重点实验室 ,北京 100084)
摘 要 :直接碳燃料电池 (Direct Carbon Fuel Cell , DCFC) 能够直接将固体碳燃 料中的化学能高效 、清洁地转化为电 能 ,对煤炭的合理利用 、污染物控制以 及 CO2 减排具有重要意义 。目前已开 发出以熔融碳酸盐 、熔融氢氧化物和 固体氧化物作为电解质的多种 DCFC , 但与其它燃料电池技术相比 ,研究尚 处于起步阶段 。本文综述了 DCFC 技 术的 发 展 历 程 及 研 发 现 状 , 对 现 有 DCFC 加以分类 ,分析比较了其各自工 作机理 、性能特点以及在 CO2 减排方 面的特性 。在总结各类 DCFC 所面临 的技术难题基础上 ,展望了直接碳燃 料电池技术今后可能的发展方向 。
2 DCFC 技术研究现状
最早的直接碳燃料电池距今 已有 110 多年历史[3] ,但近年来 技术才有了较为快速的进步 ,目 前 DCFC 的电流密度达 到 50 ～ 500 mA/ cm2 ,功率密度最高达到 4. 5 kW/ m2[9] 。相比其它类型燃 料电池 ,DCFC 本体研究尚处于起 步阶 段 。此 外 , 以 煤 作 为 DCFC 的燃料 ,面临两个问题 ,一是固体 燃料给料问题 ;二是煤中含有的 污染物将导致电极失效[9] 。
目前 DCFC 技术的研究主要 集中在两个方面 : 一是碳燃料的 处理 ;二是电池本体与结构的设 计研究 。研究工作主要集中在美 国 、日本等发达国家 。 2. 1 碳燃料的处理
煤中含有大量的灰分 、硫分
和挥发分等杂质 ,灰分会污染电 解质 ,硫分会降低电极活度 。需 要对煤进行一定的加工处理 ,减 少煤中的灰分 、硫含量和挥发分 , 同时改善煤的微观结构 ,便于阳 极电化学反应的发生 。熔融电解 质 DCFC 需要纯度很高的 C 作燃 料 , YSZ 电解质 DCFC 对燃料纯 度要求要低一些 ,目前实验室研 究中通常使用石墨作为燃料 。石 墨价格是煤炭的十几倍 ,且产量 有限 ,无法普及使用 。如何将煤 , 甚至炼油残渣 、生物质 、城市垃圾 等廉价地转化为可供 DCFC 使用 的碳燃料 ,是国内外学者与各公 司的研究热点 。
化学反应活性更高 ,有利于增大
阳极电流密度 、降低过电位 ; (3)
氢氧化物熔点更低 ,降低了电池
运行温度和材料要求 ; (4) 阴极
气体 不 需 掺 入 CO2 , 有 利 于 CO2 的减排 。
但是氢氧化物易与 CO2 产物 发生反应而导致电解质失效 :
2OH - + CO2 = CO23 - + H2O
关 键 词 :直接碳燃料电池 ;熔融碳 酸盐 ; 熔融氢氧化物 ; 固 体氧化物
中图分类号 :TM911. 4 文献标识码 :A
引 言
燃料电池是将燃料与氧化剂 中的化学能直接转化为电能的装 置 ,近年来成为国内外研究热点 之一 。随着研究的深入 ,燃料电 池的种类也日趋广泛 ,发展出碱 性燃料电池 (AFC) 、磷酸燃料电 池 ( PAFC) 、熔融碳酸盐燃料电池 (MCFC) 、质 子 交 换 膜 燃 料 电 池 (PEMFC) 、固体氧化物燃料电池 (SOFC) 、直接甲醇燃料电池 (DM2 FC) 等多种类型 。与这些使用气
第 22 卷第 1 期 2007 年 1 月
热
能
动
力
工
程
JOURNAL OF ENGINEERING FOR THERMAL ENERGY AND POWER
Vol . 22 ,No. 1 Jan. , 2007
专题综述
文章编号 :1001 - 2060 (2007) 01 - 0001 - 05
直接碳燃料电池技术研究进展分析
rect Carbon Fuel Cell , In2DCFC) 。
根据化学平衡 ,燃料 C 与 CO2 发 生化学反应 :
C + CO2 →2CO
(5)
在理想情况下 ,当电化学反
应发生时 ,1 mol C 与 CO2 发生反 应生成 2 mol CO ,其中一半 CO 在
固体氧化物电解质三相界面发生
与碳 酸 盐 电 解 质 DCFC 相 比 ,氢氧化物电解质 DCFC 具有 其特有优势[3～5 ] 。(1) 熔融氢氧 化物比熔融碳酸盐具有更高的电 子/ 离子传导率 ,450 ℃下熔融氢 氧化物的导电率是 650 ℃下熔融 碳酸盐的 1. 5 倍 ; (2) 与碳发生
电化学反应时 ,熔融氢氧化物的
图 2 熔融氢氧化物电解质 DCFC
当电池外接负载时 , H2O 与 O2 在 阴 极 得 到 电 子 形 成 OH - , OH - 在电解质内部通过扩散和毛 细作用传导至阳极 ,并且与碳发 生反 应 放 出 电 子 。反 应 中 H2O 通过电池外部输运实现循环利 用 。图 2 所示化学反应只是电极 上的总反应 ,实际过程要复杂的 多[4] 。
和碳酸盐混合物组成 ,所占比例
根据熔融电解质中水和 CO2 的分 压决定 。通过加大水的浓度 ,可 以促进反应反向进行 ,降低 O2 浓度 , 进 而 降 低 CO32 - 浓 度 ; 同 时 ,加大水的浓度还能够显著提
高熔融态离子传导率 ,降低腐蚀
作用 。该方法比较容易实现 ,它
建立在电解质内部化学平衡基础
上 ,Hemmes 曾使用线性几何方法
对电解质中的物质平衡和电池优
化 进 行 了 分 析 研 究[6] 。此 外 ,
SARA 指出加入金属氧化物和焦
磷酸盐也可以很好地抑制氢氧化
物电解质失效[4 ] :
C + 6OH - →CO23 - + 3H2O +
4e-
(3)
6OH - = 3O2 - + 3H2O C + 3O2 - →CO23 - + 4 e - (4)
体或液体燃料的燃料电池相比 , 直接 碳 燃 料 电 池 ( Direct Carbon Fuel Cell , DCFC) 以固体碳作为 燃料 ,而固体碳燃料有望通过对 储量丰富的煤炭进行简单加工处 理而得到 。
早在 19 世纪末 ,人们就尝试 通过直接氧化煤来发电[1] ,但在 电极材料 、电解质污染等方面遇 到了难题 ,并且由于当时火力发 电效率的提高而终止了研究 。近 年来对使用煤作为燃料的燃料电 池研究开始复苏并活跃起来 ,这 主要是因为 : (1) 从世界范围来看 , 煤炭储量丰富 ,价格便宜 ,采储比 是石油的 5 倍[2] ,是当今世界主要 的能源支柱之一 ; (2) 使用燃料电 池将煤直接转化为电能要比常见 的燃烧方式更高效清洁 。我国是 燃煤大国 ,煤炭是我国的主要能 源 ,研究意义更为显著 ; (3) 电极、 电解质材料取得一定进展 。
图 1 熔融碳酸盐电解质 DCFC
收稿日期 :2006 - 04 - 18 ; 修订日期 :2006 - 07 - 17 作者简介 :李 晨 (1983 - ) ,男 ,山西长治人 ,清华大学博士研究生.
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
DCFC 具有其自身的优点 :可 以直接 、高效地实现 C 到 CO2 的 转换 ,有利于 CO2 的富集与减排 ; 固体燃料不易发生泄漏 、爆炸 ,降 低了对电池密封 ,特别是高温密 封的要求 ; 同时热值高 、体积小 , 运输与储藏方便 。尽管直接碳燃 料电池优点显著 ,但与其它燃料 电池发展相比 ,仍处于起步阶段 , 距商业化应用还有很大差距 。
1 DCFC 的分类
目前已有的 DCFC 在电池材 料 、结构和燃料供给等方面差异 较大 ,甚至工作原理也完全不同 。 电解质是电池的核心部件 ,不同 电解质材料能够传导的导电离子 可能不同 ,下面根据电解质材料 的不同对 DCFC 进行分类比较 。 1. 1 熔融碳酸盐电解质 DCFC
1975 年 ,Weaver 首次以熔融 碳酸盐为电解质材料 ,研制了工 作温度 750 ℃的直接碳燃料电 池[3] 。20 世 纪 90 年 代 , 熔 融 碳 酸盐 DCFC 研究增多 , 具有代表 性的是 Hemmes 和 Cooper [。3]与碳 酸盐性质相似的硼酸盐和硅酸盐 也曾用作电解质材料 ,但其熔点 温度太高 ,性能不如碳酸盐材料 。 到目前为止 ,熔融碳酸盐型 DCFC 的研 究 最 为 广 泛 , 下 面 以 熔 融 Na2CO3 电解质为例简要介绍其 工作原理 (见图 1) 。
步研究 。
C + O2 →CO2
(7)
1. 4 DCFC 与 CO2 减排 随着温室效应的日趋严重 ,
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
· 2 ·
热能动力工程
2007 年
当电池外接负载时 , CO2 与
O2 在阴极得到电子形成 CO32 - ,
CO32 - 在电解质内部通过扩散和
毛细作用传导至阳极 ,并且与碳
发生反应放出电子 。反应中 CO2 主要通过电池外部输运实现部分
循环利用 。总反应方程为 :
C + O2 →CO2
(1)
电化学反应生成 CO2 ,另一半 CO 提供给外电路 ,可用于水气变换
反应生成 H2 或燃烧 ,这样形成了 整个系统的循环工作 ,在发电的
同时产生燃料气体 。整个反应过
程中 C 没有直接与阳极接触传
递电子 ,也有人称其为电化学气
化[7] 。总电化学反应为 :
C+
1 2
O2
→CO
(6)
Stanford 大学 Gur 对固体 氧