直接碳燃料电池研究进展

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1、直接碳燃料电池研究进展    胡雅琴    (山西大同大学化学与化工学院，山西大同 037009)    摘 要：直接碳燃料电池是一种按电化学方式直接将碳的化学能转化成电能，而不经过燃烧过程的发电方法。对直接碳燃料电池的工作原理、性能影响因素进行了综述，并对它存在的问题和今后的研究方向做了探讨。    关键词：直接碳燃料电池；燃料电池；煤炭    中图分类号: TM911.4  文献标识码: A  文章编号:1674-0874(2011)03-0037-04    我国的煤炭资源相对丰富，是世界上最大的煤炭生产国和消费国。由于煤炭在一次能源结构中的主导地位，决定了我国的电力生

2、产以煤电为主的格局。 在我国现有的火电机组中，燃煤机组约占 93%，而燃料的能量只有约 35% 左右被发电机组转化为电能, 而且 CO2, SO2和 NOx等有害气体的排放对环境造成的污染越来越严重。目前，因大气污染和酸雨造成的经济损失约占我国国内生产总值的5%，燃煤造成的环境污染已成为制约我国国民经济和社会持续发展的一个重要影响因素。    直接碳燃料 电池 (Direct Carbon Fuel Cell，DCFC) 是一种按电化学方式直接将化学能转化成电能，而不经过煤炭燃烧的发电装置。 作为一种燃料电池，具有高效、无污染等优点[1]。19世纪末，WilliamJacqu

3、es[2]首先以焦炭作电极、熔融氢氧化钠作电解质，尝试了 DCFC 技术，并在当时引起了公众的极大关注。但是在电池的运行过程中，由于无法解决碳对电解质的污染等问题，其放电效果并不令人满意，致使人们对这一研究的关注逐渐减弱。直到上世纪 90 年代初，随着电源技术的发展及人类环保意识的增强，DCFC 逐渐又成为燃料电池领域的研究热点。    1 DCFC 的工作原理    1.1 碳酸盐作为电解液    DCFC 是以碳为燃料，空气为氧化剂，碳酸盐或碱作为电解液。电解液不同，DCFC 的反应机理亦不同。    当以碳酸盐作为电解液时，电池工作温度为650 ~ 800 ℃。在放电过

4、程中，DCFC 内的导电离子        2 DCFC 与其它燃料电池效率比较    作为一种使用固体燃料的燃料电池，DCFC 的C/O2反应的熵变很小(ΔSθ= 0.67 cal/(mol·K))，对比于其它燃料进料的燃料电池，其理论热效率(ΔGθ/ΔHθ)约等于 100%，从表 1 可以看出实际的能量转化效率更是高达 80%[3]，采用天然气的燃料电池尚未超过61%，而氢燃料电池只有 47%[4]。而且，反应物 C 和生成物 CO2都是不同形态下的纯物质，其化学势是固定的，阳极的电极电势并不随 C 的逐渐消耗和 CO2的生成而下降。        相比于目前燃料电池广泛

5、使用的氢燃料，碳作为一次性能源，具有来源广泛 (如来自煤炭、石油、天然气、生物质等)、成本低、储运方便等优点。由于 DCFC 电池反应产物是纯 CO2，因此它的回收不存在从产物中分离和收集而产生的额外费用。而且，利用现有技术，CO2还可用于石油与天然气等地下资源的开采。    3 DCFC 性能的影响因素    3.1 碳阳极    上世纪 70 年代，Weaver[5]以光谱炭作为阴极，熔融的碳酸盐为电解液，分别以热解石墨、光谱炭和脱挥发份的煤作为阳极组成电池。他发现以脱挥发份的煤作为阳极时，电池的开路电压最大(1.1 V)，碳的反应活性最大；当以热解石墨作为阳极时，电池的

6、开路电压最小(0.8 V)，碳的反应活性最小。以煤作为阳极时，在 700 ℃ 的操作温度和电压 0.8 V时，输出电流密度达 100 mA/cm2；而在 800 ℃，电压 0.9 V 时电流密度即可达到 100 mA/cm2。研究还表明，当煤炭中的挥发物低于 10% 时，挥发物对电池的电压没有显著影响。    1985年 Vutetakis[6]分别考察了以几种高灰份含量的煤炭样本(粒径为 100 ~ 500 μm)作为阳极时的DCFC 性能。其电池是将煤炭样本与熔融碳酸盐在氧化铝坩埚中混合成煤浆，并以金和嵌入氧化铝管(管子底部封口，管身带有 1.5 mm 的孔洞)内的石墨分

7、别作为阴、阳极。 实验发现，采用肯塔基的烟煤焦时电池放电性能最好，电压 0.8 V 时，输出电流密度为 30 mA/cm2。    3.2 电解质    美 国 SARA 公 司 (Scientific Applications &Research Associates)在上世纪 90 年代中期开始对DCFC 进行研究[7-10]，并提出了一些新的想法和设计，见图 1。在 SARA 的 DCFC 设计中，电解液不再采用熔融碳酸盐，而是用熔融氢氧化钠。圆柱型的碳棒作为阳极浸入电解液中，铁-钛合金制成的无孔