熔融碳酸盐电解质dcfc 熔融碳酸盐电解质dcfc.ppt

LOGO 碳燃料电池 前言 技术简介 研究现状 发展展望 目 录 preface NOx 70% 煤炭 SO2 90% CO2 80% preface 火电 水电 核电 燃料电池 碳燃料电池 技术简介 直接碳燃料电池(DCFC)是直接以碳燃料做阳极,在高温下与阴极的氧化剂空气作用,构成原电池的发电装置。工作温度为400-1000℃。 工作原理 反应前后 压力不变 燃料 广泛 能量 密度大 效率高 CO2 利用率高 碳燃料 电池 C+O2=CO2 80-90% 煤炭储 量丰富 保证电池在恒压下工作 CO2减排 更加明显 CCH4H2 直接碳燃料电池优点 碳燃料电池 碳燃料阳极 电解质 阴极 组 成 分 类 熔融碳酸盐电解质DCFC 熔融氢氧化物电解质DCFC 固体氧化物电解质DCFC DCFC （按电解质） 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。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。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。 熔融碳酸盐电解质DCFC 熔融碳酸盐 电解质DCFC 当电池外接负载时, CO2与O2在阴极得到电子形成 , 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) 碳酸盐电解质的优点是材料成本低, 性能上CO2与 CO32-的相互转化相对容易, 且不会被产物CO2污染,但是熔点较高,腐蚀性增强, 对电池材料提出更高要求。 熔融氢氧化物电解质DCFC 熔融氢氧化物 电解质DCFC 1896年, Jacques等人使用熔融氢氧化物电解质, 研制了世界上第一个直接碳燃料电池。 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。 (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。 碳酸盐电解质DCFC比较 缺 点 氢氧化物易与CO2产物发生反应而导致电解质失效: 2OH-+ CO2= CO32- + H2O（2） SARA认为实际发生的CO32- 生成反应为式(3)和式(4) ,电池运行时, 电解质由氢氧化物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。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。 固体氧化物 电解质DCFC 1988年Nakagawa和Ishida 提出了使用固体氧化物电解质的DCFC。 固体氧化物电解质DCFC 电池使用氧化钇稳定的氧化锆( YSZ) 作为电解质, 也被称为内部直接碳燃料电池（In DCFC)。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 molC与CO2发生反应生成2molCO,其中一半CO在固体氧化物电解质三相界面发生电化学反应生成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。 总电化学反应为: C+1/2O2 CO (6) Stanford大学Gur对固体氧化物电解质DCFC进行了试验研究。研究发现在温度较高时(700℃以上) , 试验测得氧分压与化学平衡理论计算