直接碳燃料电池的燃料与阳极材料的研究

论文摘要

直接碳燃料电池是一种使用富碳材料作为燃料的燃料电池。它将碳的化学能通过燃料电池直接转化为电能,其发电效率是燃煤热电站发电效率的2-3倍。直接碳燃料电池的优点在于：理论效率接近100%,碳燃料的能量密度高,污染物排放少,电池结构简单,且煤,石油焦,生物质,有机垃圾等都可以作为碳燃料。对整个燃料电池体系来说阳极反应能否顺利进行无疑是重点,阳极反应则取决于燃料碳与阳极的结构特点。本论文依据固体氧化物燃料电池原理与流化床原理,并将固体氧化物燃料电池与熔融碳酸盐燃料电池相结合,自行设计组装了直接碳燃料电池单电池,对碳燃料与电池阳极进行改性研究。通常基于固体氧化物燃料电池机理的直接碳燃料池运行温度大约在1000℃左右,但Boudouard reaction副反应在700℃时便已经发生,因此需要经济和有效的方法降低反应温度。本论文采用化学法（硝酸氧化和插层氧化）与物理法（高能球磨）对提高无定形碳（木炭）和石墨的电化学氧化活性进行了深入研究。实验结果表明,高能球磨预处理后的木炭比表面积呈现先增大,随着球磨时间的延长后下降的变化趋势,但木炭的粒径随着球磨时间的增加而逐渐降低；程序升温氧化测试显示木炭的化学活性增强。经过高能球磨的石墨原料,比表面积随球磨时间的延长而持续上升,晶格排列从有序向无序过渡。硝酸处理后的石墨样品层结构变得松散。插层氧化处理后的石墨样品具有高比表面积和高的化学反应活性。为了提高燃料与阳极的接触性,使用NiO/CeO2复合陶瓷纳米线材料通过静电纺丝工艺制备网状阳极,利用二氧化锡材料通过化学气相沉积的方法制备针状阳极。网状阳极采用先通过制备PVP/NiCl2/（NH4）2Ce（NO3）6有机-无机复合膜,1000℃煅烧除去有机组分,最终得到复合陶瓷纤维,其直径平均在100 nm左右。针状阳极利用二氧化锡先还原成氧化亚锡,氧化亚锡再歧化分解的方法制备,使用气液固（Vapor-Liquid-Solid; VLS）生长机理得到的纳米线平均直径为100 nm。使用气固（Vapor-Solid; VS）生长机理制备的二氧化锡纳米线直径分布较宽,且具有核壳结构。并使用COMSOL3.5a对阳极改性与原料预处理进行计算机实验,定性的验证了处理后的单电池性能显著提高。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 直接碳燃料电池的发展
• 1.3 直接碳燃料电池的优点
• 1.3.1 理论上的高转化率
• 1.3.2 碳原料来源广泛且能量密度高
• 1.3.3 DCFCs电站与传统热电站相比有更加环保的技术优势
• 1.4 DCFCs的种类
• 1.4.1 固体氧化物电解质直接碳燃料电池
• 1.4.2 熔融碳酸盐电解质
• 1.4.3 熔融氢氧化物电解质
• 1.4.4 结合SOFC与MCFC技术的直接碳燃料电池
• 1.5 DCFC的研究现状
• 1.5.1 直接碳燃料电池的燃料与阳极材料
• 1.5.2 直接碳燃料电池的阴极材料
• 1.5.3 直接碳燃料电池运行参数的影响
• 1.6 直接碳燃料电池的挑战
• 1.7 本论文研究的主要内容
• 第二章 碳原料的处理
• 2.1 实验试剂
• 2.2 实验仪器与检测设备
• 2.3 制备方法
• 2.3.1 物理法原料处理
• 2.3.1.1 氮气和氢气混合气中高能球磨
• 2.3.1.2 空气气氛下的高能球磨
• 2.3.2 化学法原料处理
• 2.3.2.1 硝酸氧化处理
• 2.3.2.2 插层氧化法处理石墨
• 2.4 结果与讨论
• 2.5 结论
• 第三章 基于SOFCS的DCFCS系统阳极改进与制备
• 3.1 实验试剂
• 3.2 实验仪器与检测设备
• 2陶瓷纳米纤维的制备'>3.3 CeO₂陶瓷纳米纤维的制备
• 4）₂Ce（NO₃）₆静电纺丝溶液制备'>3.3.1 PVP/（NH₄）₂Ce（NO₃）₆静电纺丝溶液制备
• 4）₂Ce（NO_）6复合纤维的制备'>3.3.2 PVP/（NH₄）₂Ce（NO_）6复合纤维的制备
• 3.3.3 最佳溶液配方的选择
• 4）₂Ce（NO₃）₆有机-无机复合纳米纤维的研究'>3.3.4 制备定向排列PVP/（NH₄）₂Ce（NO₃）₆有机-无机复合纳米纤维的研究
• 3.3.5 氧化铈陶瓷线的制备
• 3.3.6 XRD表征
• 3.3.7 TG-DSC表征
• 3.3.8 SEM/EDX表征
• 3.3.9 FT-IR表征
• 3.3.10 UV表征
• 2复合纳米纤维的制备'>3.4 NiO/CeO₂复合纳米纤维的制备
• 2/（NH₄）₂Ce（NO₃）₆复合纳米纤维纺丝液的制备'>3.4.1 PVP/NiCl₂/（NH₄）₂Ce（NO₃）₆复合纳米纤维纺丝液的制备
• 2/（NH₄）₂Ce（No₃）₆复合纤维的制备'>3.4.2 PVP/NiCl₂/（NH₄）₂Ce（No₃）₆复合纤维的制备
• 2/（NH₄）₂Ce（NO₃）₆有机-无机复合纳米纤维的研究'>3.4.3 制备定向排列PVP/NiCl₂/（NH₄）₂Ce（NO₃）₆有机-无机复合纳米纤维的研究
• 2复合陶瓷纳米纤维的研究'>3.4.4 NiO/CeO₂复合陶瓷纳米纤维的研究
• 3.4.5 EDX表征
• 3.4.6 XRD表征
• 3.4.7 FT-IR表征
• 3.4.8 复合纤维的制备机理
• 3.5 锡材料阳极的制备
• 3.5.1 二氧化锡纳米线的制备
• 3.5.2 气液固方法制备二氧化锡纳米线
• 3.5.3 二氧化锡纳米线VLS法生长机理
• 3.5.4 “城墙状”二氧化锡阳极的生长
• 3.5.5 VS方法制备二氧化锡纳米线
• 3.6 结论
• 第四章 DCFC电池的设计与组装
• 4.1 DCFC的设计
• 4.2 实验药品
• 4.3 实验仪器
• 4.4 电池的组装
• 第五章 5计算机模拟
• 5.1 模型的建立与假设条件
• 5.2 控制方程的建立
• 5.2.1 电荷平衡
• 5.2.2 多组分的输送控制
• 5.2.3 导气管中的气体流动控制
• 5.3 求解方法
• 5.4 结果与讨论
• 5.4.1 反应接触面积的调节
• 5.4.2 交换电流密度的调节
• 5.5 结论
• 第六章 本文结论
• 6.1 本文主要研究工作和实验方法
• 6.2 本文的主要结论
• 6.3 本文的主要创新点与不足
• 6.4 展望
• 参考文献
• 附录
• 在学期间发表的学术论文与研究成果
• 致谢