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固体氧化物直接碳燃料电池阳极反应过程分析

燃料化学学报 2015年第9期43卷 1100-1105页

作者：刘国阳周安宁张亚婷蔡江涛党永强邱介山西安科技大学化学与化工学院陕西西安710054 大连理工大学能源材料化工辽宁省重点实验室暨精细化工国家重点实验室辽宁大连116024

以氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)为电解质组装成直接碳燃料电池(DCFC),分别以活性炭(AC)、石墨(G)、神府半焦(SC)作为DCFC燃料,研究了碳燃料的特性、电池操作温度以及阳极反应气氛等对DCFC阳极反应过程的影响。结果表明,三种碳燃料在空气、CO... 详细信息

以氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)为电解质组装成直接碳燃料电池(DCFC),分别以活性炭(AC)、石墨(G)、神府半焦(SC)作为DCFC燃料,研究了碳燃料的特性、电池操作温度以及阳极反应气氛等对DCFC阳极反应过程的影响。结果表明,三种碳燃料在空气、CO2气氛中氧化反应活性顺序为AC>SC>G,当三种碳材料作为DCFC燃料时,活性炭作为燃料的DCFC性能最好,半焦燃料次之,石墨作为燃料的DCFC性能最差,而且燃料反应活性与其表面含氧官能团、孔隙结构有关;DCFC的阳极反应过程存在碳燃料直接氧化为CO2、CO2与C反应转化为CO,以及CO氧化为CO2等。

关键词：直接碳燃料电池碳燃料阳极反应活性炭半焦石墨

直接碳固体氧化物燃料电池研究进展:碳燃料和逆向Boudouard反应催化剂

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储能科学与技术 2021年第6期10卷 1977-1986页

作者：吴玉玺韩婷婷解子恒李琳宋艳雯梁加仓张津津于方永杨乃涛山东理工大学化学化工学院山东淄博255049

直接碳固体氧化物燃料电池(direct carbon solid oxide fuel cells,DC-SOFCs)是一种能够将固体碳中的化学能直接转化为电能的新型能量转换装置,具有理论效率高、燃料来源广泛、成本低以及绿色环保等突出优势。根据DC-SOFC的工作原理,其... 详细信息

直接碳固体氧化物燃料电池(direct carbon solid oxide fuel cells,DC-SOFCs)是一种能够将固体碳中的化学能直接转化为电能的新型能量转换装置,具有理论效率高、燃料来源广泛、成本低以及绿色环保等突出优势。根据DC-SOFC的工作原理,其运行过程是一个动力学控制步骤,即阳极侧CO的电化学氧化反应与碳燃料中逆向Boudouard反应的有效耦合保证了DC-SOFC的高效稳定运行。其中,速率相对较慢的逆向Boudouard反应是电池电化学性能的决定因素。因此,设计提高逆向Boudouard反应速率是促进DC-SOFC产业化进程的有效途径,也是发展趋势。国内外研究者采取了一系列措施来实现此目标,其中最简单有效的两种方法是:①在固体碳燃料中担载逆向Boudouard反应催化剂;②直接采用多孔结构且天然富含金属元素的生物质炭为燃料。基于近年来的前沿研究,本文综述了采用不同类型逆向Boudouard反应催化剂和碳燃料的DC-SOFCs最新研究进展,系统总结了DC-SOFCs的研究现状、面临的挑战和未来发展方向,以期为开发高性能、长寿命DCSOFCs提供有价值的参考。

关键词：固体氧化物燃料电池直接碳碳燃料 Boudouard反应生物质炭

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煤制洁净的碳燃料

煤炭综合利用译丛 1990年第3期13卷 70-71页

作者： M.斯登伯尔格张静媛太原电力专科学校

美国布鲁克哈温国家实验研究院开发成功了一种把煤转化成洁净碳燃料的低成本的两步法.先将煤在过量氢气中加氢生成甲烷,然后将甲烷热分解成碳黑微粒和氢气.氢气在这里起着载体的作用.氢气把碳元素从煤质结构中提取出来,然后又把它作为... 详细信息

美国布鲁克哈温国家实验研究院开发成功了一种把煤转化成洁净碳燃料的低成本的两步法.先将煤在过量氢气中加氢生成甲烷,然后将甲烷热分解成碳黑微粒和氢气.氢气在这里起着载体的作用.氢气把碳元素从煤质结构中提取出来,然后又把它作为纯碳黑沉积起来.氢气可循环使用,故不需外部供给.实际上,在生产过程中,氢气还是一种有价值的副产品.

关键词：煤炭碳燃料制取

太阳能驱动分解高温熔融混合碳酸盐制碳燃料技术研究

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太阳能驱动分解高温熔融混合碳酸盐制碳燃料技术研究

作者：洪美花东北石油大学

学位级别：硕士

二氧化碳的资源化具有极其广阔的研究前景,且太阳能一直被认为是新世纪最理想的绿色能源。本文在STEP理论研究的基础上,同时兼顾节能减排与太阳能综合利用,意旨将二氧化碳高效地分解为碳燃料。通过对太阳能驱动分解高温熔融混合碳酸盐... 详细信息

二氧化碳的资源化具有极其广阔的研究前景,且太阳能一直被认为是新世纪最理想的绿色能源。本文在STEP理论研究的基础上,同时兼顾节能减排与太阳能综合利用,意旨将二氧化碳高效地分解为碳燃料。通过对太阳能驱动分解高温熔融混合碳酸盐制碳燃料系统的基本原理进行研究,给出了系统的理论框架,并且构建了 3个主要的子单元,即:光-热单元、光-电单元、电解单元。其中,光-热单元利用太阳能的热效应为电解单元提供高温环境,而光-电单元则利用太阳能的光伏效应为其提供电能,最终出电解单元完成环境稳定分子CO的高效转化。利用3个子单元的能级/光谱/电势/效率匹配原则构建的高效集成耦合型太阳能-热-电化学-含能分子系统的能量全部来自太阳能,其核心为高温电解反应。电解单元主要采用LiCO、NaCO、K2CO的二元及三元混合碳酸盐为电解质制取碳燃料,并通过中间产物LiO、NaO、K2O吸收空气中CO,使碳酸盐电解质再生,从而构筑一个完整的循环,最终表现为将CO还原为碳。实验分别研究了 Li-Na、Li-K及Li-Na-K混合碳酸盐体系在高温下的组成-熔点关系、电化学性能、电解电位及分解产物,并通过改变混盐配比拓宽电解温度的可操作范围。同时,考察电极材质、电解温度、相同电量下不同电流强度、电解时间等因素对反应结果的影响,以及高温下熔盐体系对电解池体的腐蚀及稳定性影响,从而优化反应参数。实验结果表明:反应的电解电势随电流密度的增大而增大,随温度的升高而降低;LiNaKCO三元混合体系的熔点和电解电势均低于相同条件下的LiNaCO、LiKCO二元体系。采用LiNaKCO为电解质,Fe为阴极、Ni为阳极,于500℃、IA·h电量下电解1h制取产物时,反应的电流效率最高可达65.98%,电解产物为无定形碳。在电解单元的实验研究基础之上,构建了由[Spectrolab GaInP/GaAs/Ge CPV]光-电单元、[Edmund Fresnel lens]光-热单元、[Fe/LiCO-NaCO-KCO/Ni]电解单元组成的耦合系统。对此耦合系统的研究结果表明:太阳能电池的工作电压,即电解单元中CO的分解电势为2.43V,工作电流为0.905A,趋近于光-电单元的最大功率点P(2.348V,0.971A)。此时,系统的光-电转化效率可达29.2%,而电流效率则可达65%以上。此系统是一个高效、可持续的Solar-CO-Fuel绿色循环系统,并且为节能减排及CO的资源化利用提供了一种新途径。

关键词：太阳能电解混合碳酸盐二氧化碳碳燃料

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直接固体碳燃料电池研究进展

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直接碳固体氧化物燃料电池新型钙钛矿阳极材料研究

第30届全国化学与物理电源学术年会

作者：岳锌朱骏张鹤年赵纪军扬州中科院能源与材料研究院物理与光电工程学院&高科技研究院大连理工大学

直接固体碳燃料电池(DirectCarbon Fuel Cell)DCFC是一种新型的能源技术,可以将固体碳燃料中的化学能量直接转化为电力能源。在直接固体碳燃料电池中(以碱性电池为例),固体碳燃料作为阳极,发生氧化反应,释放电子;氧气在阴极中发生还原反... 详细信息

直接固体碳燃料电池(DirectCarbon Fuel Cell)DCFC是一种新型的能源技术,可以将固体碳燃料中的化学能量直接转化为电力能源。在直接固体碳燃料电池中(以碱性电池为例),固体碳燃料作为阳极,发生氧化反应,释放电子;氧气在阴极中发生还原反应,获得电子。电子的从阳极到阴极的转移为外界提供电能,二氧化碳作为唯一的反应产物释放出来。由于在该燃料电池的反应过程中,没有中间能量的转化,例如在火电过程中存在多次能量的转化:化学能→热能→机械能→电能等,而是化学能直接转化为电,理论能量转化效率高达100%,就是全部的化学能都可以转化为电能,没有损耗,吸引能源领域的关注,介绍3个模型的电池。

关键词：直接碳燃料电池碳燃料反应机制机制建模性能改进

来源： cnki会议评论

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直接碳固体氧化物燃料电池新型钙钛矿阳极材料研究

作者：陈晓昆明理工大学

学位级别：硕士

为了遏制不断恶化的环境问题和能源危机,我国大力开发新能源技术,但是煤炭作为我国主体能源的地位不可撼动。而直接碳固体氧化物燃料电池（DC-SOFC）作为一种新型高效清洁的煤炭发电技术,对于传统燃煤发电技术的改革和双碳目标的实现具... 详细信息

为了遏制不断恶化的环境问题和能源危机,我国大力开发新能源技术,但是煤炭作为我国主体能源的地位不可撼动。而直接碳固体氧化物燃料电池（DC-SOFC）作为一种新型高效清洁的煤炭发电技术,对于传统燃煤发电技术的改革和双碳目标的实现具有崇高的战略意义。由于阳极是直接碳固体氧化物燃料电池的主要反应场所,高催化活性、稳定且抗积碳的阳极材料的开发一直是DC-SOFC领域的研究热点和重点。钙钛矿材料作为优异的电子-离子混合导体以其良好的电催化活性、结构可调控性、稳定性及优异的抗积碳和硫中毒等优势获得研究者的青睐。本论文围绕直接碳固体氧化物燃料电池高催化活性的钙钛矿阳极材料展开研究,并实现了钒掺杂单钙钛矿阳极材料和原位脱溶纳米合金颗粒的层状钙钛矿阳极材料的设计和开发。首先,设计并制备了单钙钛矿阳极材料LaSrFeVO（LSFV）。掺杂V后,LSFV内部形成了连续电子传导通道和更多的氧空位有利于电子转移和氧离子扩散,使阳极材料对碳燃料的电化学氧化过程表现出优异的电催化效果,同时确定了V的最佳掺杂量为x=0.1。在850℃下,以LSFV为阳极的DC-SOFC最大功率密度和极化电阻分别为249 m W cm和0.37Ωcm,恒流放电下电池的最长放电时间为8.65 h,热解褐煤燃料利用率最高为38.76%,明显优于纯LSFO阳极材料(170 m W cm)。同时过量的钒掺杂(LSFV)会降低氧空位浓度,使气体的吸附和扩散过程受阻,进而导致电池电化学性能的降低。电池稳定性测试后的SEM和XRD结果表明,LSFV钙钛矿阳极材料具有极好的结构稳定性和氧化还原稳定性。为了进一步提高DC-SOFC的电化学性能,设计并制备了原位脱溶合金颗粒的(PrSr)(FeNb)O层状钙钛矿用于DC-SOFC阳极材料的研究。采用燃烧法合成了蓬松多孔的立方相钙钛矿结构材料（P-PSMFN,M=Co,Ni）。通过一步热还原法使得P-PSMFN（M=Co,Ni）阳极材料发生原位自组装过程,将立方相钙钛矿结构转变成层状钙钛矿结构RP-PSMFN（M=Co,Ni）,并在表面原位脱溶生长出纳米合金颗粒,对阳极侧碳的氧化反应具有优异的电催化活性,电池展现了优异的电化学性能。同时采用固相法制备了与层状钙钛矿阳极材料相匹配的LSGM电解质材料,LSGM电解质材料具有优异的氧离子电导率,且内部结构致密。组装了RP-PSMFN（M=Co,Ni）|LDC|LSGM|Ag-GDC结构的DC-SOFC。原位脱溶Co Fe合金的RP-PSCFN和Ni Fe合金的RP-PSNFN阳极材料的电化学性能相当,最大功率密度和极化电阻分别为281和284 m W cm以及0.34和0.32Ωcm,电池稳定运行13 h,热解褐煤燃料利用率达58.21%。与Ag-GDC为阳极的电池性能相比,原位脱溶的Co Fe合金和Ni Fe纳米合金颗粒具有更优异的电催化活性,能显著提高电池的电化学性能。

关键词：固体氧化物燃料电池碳燃料钙钛矿阳极原位脱溶合金颗粒

流延法制备单片式直接碳固体氧化物燃料电池组及其性能研究

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无机材料学报 2019年第5期34卷 509-514页

作者：汪维苑莉莉丘倩媛周明扬刘美林刘江华南理工大学环境与能源学院新能源研究所广州市能源材料表面化学重点实验室广州510006 美国佐治亚理工学院材料科学与工程系

本研究针对小型电源应用,提出一种基于单片电解质的直接碳固体氧化物燃料电池组的设计和制备方法。采用流延成型的工艺制备YSZ平板式电解质,通过在生坯上打孔作为电解质两侧电极的电连接通道,在单片电解质平板上制备四节串联的电池组,... 详细信息

本研究针对小型电源应用,提出一种基于单片电解质的直接碳固体氧化物燃料电池组的设计和制备方法。采用流延成型的工艺制备YSZ平板式电解质,通过在生坯上打孔作为电解质两侧电极的电连接通道,在单片电解质平板上制备四节串联的电池组,有效面积为5.6 cm^2。采用5 g担载5wt%Fe催化剂的活性炭为燃料,对电池组的输出性能及稳定性进行测试。结果表明:850℃下电池组的开路电压为3.80 V,最大输出功率为1.66 W,对应的功率密度为296 mW×cm^(–2)。同时,测得的四节串联电池组中的第一节单电池的最大输出功率密度为294 mW×cm^(–2),说明该电池组中各单电池一致性良好。在800℃下,电池组在300 mA的恒电流下放电11 h,放电容量为8.42 W×h,燃料利用率达到了～30%。本研究可以为开发直接碳固体氧化物燃料电池在便携式和分布式电源方面的应用提供参考依据。

关键词：固体氧化物燃料电池单片电池组碳燃料流延成型法

可用作便携式电源的高性能直接碳固体氧化物燃料电池组（英文）

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物理化学学报 2017年第8期33卷 1614-1620页

作者：王晓强刘江谢永敏蔡位子张亚鹏周倩于方永刘美林华南理工大学环境与能源学院新能源研究所广州510006 江西理工大学冶金与化学学院江西赣州3410003 香港理工大学建筑与房地产学院香港999077 山东理工大学化学工程学院山东淄博255000 美国佐治亚理工学院材料科学与工程系

报道了一种直接碳固体氧化物燃料电池(DC-SOFC)电池组。该电池组由3个单节管式电池串接而成。为使电池组能够承载更多的碳,阳极制备在管状电池的外壁。此三节电池组直接以碳为燃料,空气中的氧气为氧化剂运行。该电池组的有效面积为10.2 ... 详细信息

报道了一种直接碳固体氧化物燃料电池(DC-SOFC)电池组。该电池组由3个单节管式电池串接而成。为使电池组能够承载更多的碳,阳极制备在管状电池的外壁。此三节电池组直接以碳为燃料,空气中的氧气为氧化剂运行。该电池组的有效面积为10.2 cm^2,以17 g负载5%(w)Fe的活性炭为燃料,800°C下的功率为4.1 W。电池组以1 A的恒电流放电19 h,放电容量为19 A?h,释放出31.6 W?h的电能。这种高容量的DC-SOFC可开发成便携式电源加以应用。

关键词：固体氧化物燃料电池碳燃料锥管串接电池组碳空气电池便携式应用装置

双过渡层阴极对流延法制备的阳极支撑直接碳固体氧化物燃料电池性能的改善作用

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中国稀土学报 2019年第2期37卷 232-240,I0004页

作者：汪维刘志军张亚鹏刘佩佩刘美林刘江华南理工大学环境与能源学院新能源研究所广州市能源材料表面化学重点实验室广东广州510006 美国佐治亚理工学院材料科学与工程系

采用流延法制备了阳极支撑的固体氧化物燃料电池(SOFC),电解质材料为钇稳定化氧化锆(YSZ),阳极为镍和YSZ构成的金属陶瓷(Ni-YSZ),阴极为LSCF-GDC/LSCF复合材料,同时在阴极与电解质之间制备了YSZ-GDC/GDC双过渡层。分别采用含3%的加湿H_... 详细信息

采用流延法制备了阳极支撑的固体氧化物燃料电池(SOFC),电解质材料为钇稳定化氧化锆(YSZ),阳极为镍和YSZ构成的金属陶瓷(Ni-YSZ),阴极为LSCF-GDC/LSCF复合材料,同时在阴极与电解质之间制备了YSZ-GDC/GDC双过渡层。分别采用含3%的加湿H_2和活性炭为燃料,对此电池的输出性能及阻抗谱进行测试。采用加湿H_2测试的结果表明:在800℃下,采用双过渡层电池的开路电压达到1 V,最大功率密度为680 mW·cm^(-2),比未改良电池的最大功率密度(372 mW·cm^(-2))提高了83%。直接采用固体碳为燃料时,具有双过渡层阴极的电池在850℃时的开路电压达到0.95 V,最大输出功率密度达429 mW·cm^(-2),几乎比无过渡层阴极的电池(225 mW·cm^(-2))高出1倍,特别是双过渡层阴极还使直接使用碳燃料的SOFC(DC-SOFC)的燃料利用率提高了33%。

关键词：固体氧化物燃料电池阳极支撑流延法双过渡层阴极碳燃料稀土