液态锑阳极直接碳燃料电池制备与性能特性研究

发布时间：2021-06-24 14:40

　　液态锑阳极直接碳燃料电池是一种洁净煤发电技术,能够将煤炭、生物质等固体碳燃料中的化学能连续不断地转化为电能。液态锑阳极的界面反应动力学特性;燃料电池核心部件长时间运行稳定性;燃料电池单元关键运行技术的研发与验证都具有重要的意义。本博士论文针对以上关键科学技术问题进行了研究:分析了液态锑阳极工作机制;解析了燃料电池中液态金属阳极对解质的腐蚀机理;发展了基于金属支撑-大气等离子喷涂的燃料电池批次化制造技术;提出了直接碳燃料电池单元设计原则,解决了煤炭燃料连续进给、电极搅拌、高温条件下低成本电流收集等直接碳燃料电池单元连续运行关键技术问题。研究采用氧化钇稳定的氧化锆（YSZ）单晶电解质研究液态锑阳极界面反应机理。燃料电池工作过程中,阳极内部锑金属的电化学氧化产物Sb2O3在燃料电池工作条件下为液相氧离子导体。Sb2O3由阳极-电解质界面向阳极内部的迁移过程在阳极中形成了氧离子传导路径与电化学反应界面。依托该工作机理,研究在燃料电池工作条件下向阳极中在线引入Sb2O3,电流密度提升幅度最高可达14.2%。对电解质腐蚀机理的研究表明:液态锑阳极对电解质的腐蚀作用与电化学反应紧密相关。液态锑阳极工... 

【文章来源】：清华大学北京市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：121 页

【学位级别】：博士

【部分图文】：

H2、CO和固体碳三种类型燃料电池开路电压随工作温度变化情况

第1章引言15图1.1H2、CO和固体碳三种类型燃料电池开路电压随工作温度变化情况在液态金属阳极直接碳燃料电池中，由于阳极-电解质界面处主要发生液态金属的电化学氧化反应，燃料电池的开路电压由液态金属电极控制。由液态金属阳极的工作过程可知，碳燃料还原金属阳极对应氧化物的反应应当是一个热力学上的自发反应，因此液态金属阳极直接碳燃料电池的开路电压较图1.1中所示的碳燃料直接电化学反应开路电压低[90]。液态金属阳极中的锡阳极以及锑阳极的开路电压如图1.2所示。液态金属阳极开路电压偏低是该电化学反应体系的一个弱点，只能依托液态金属阳极电导率高的优势在工程层面上通过燃料电池的串联解决。图1.2液态锡阳极以及液态锑阳极开路电压随工作温度的变化情况1.3.2直接碳燃料电池的理论效率一个燃料电池反应体系的理论效率由反应的吉布斯自由能变（G）和反应焓（H）变共同决定。在给定的工作温度下，燃料电池理论效率theo的计算公式如方程(1.44)所示。

第1章引言18图1.3两种液态金属碳转化阳极平衡状态下腔室CO分压、理论效率随温度变化情况1.3.3直接碳燃料电池的电压效率与燃料效率燃料电池的工作电压低于其开路电压，电压效率（vol）就是衡量这种电压损失的量度，表达形式如方程(1.55)所示。volVE(1.55)其中V为燃料电池工作电压，E为燃料电池开路电压。投入燃料电池中的燃料组分不能完全转化为相应的氧化产物，就直接碳燃料电池的具体情况而言即尾气中的CO含量高于平衡状态下的CO分压。部分氧化产物CO随CO2逸出燃料电池反应系统，造成能量损失。衡量未反应燃料组分逸出反应系统多少的量度就是燃料效率（fuel）。直接碳燃料电池的燃料效率可由方程(1.56)表示。22COCOfuelCOCO222xxxx(1.56)其中COx、2COx分别为尾气中CO、CO2所占的体积分数。燃料电池的效率sys可以表示为理论效率、电压效率和燃料效率的乘积，如方程(1.57)所示。systheovolfuel(1.57)

【参考文献】：
期刊论文
[1]固体氧化物直接碳燃料电池新型阳极研究进展[J]. 王洪建,曹天宇,史翊翔,蔡宁生.  无机材料学报. 2014(07)
[2]氦气测量及其地质找矿意义[J]. 许来生.  湖南地质. 1999(04)

博士论文
[1]液态锑阳极直接碳燃料电池阳极机理与反应特性研究[D]. 王洪建.清华大学 2014



本文编号：3247288