以褐煤为燃料的全固态直接碳燃料电池的构建和反应机理研究

Direct carbon fuel cell (DCFC) can directly utilize solid carbon to generate power through a way of electrochemical oxidation, which has attracted wide attentions of researchers due to the advantages of high energy conversion efficiency and environmental friendliness. Thereinto, operating on coal is an important way to realize the commercial application of DCFC. However, the DCFC performances with coal fuel are usually low due to the low carbon content and plenty of impurities such as ashes and volatilizations. Taking this into account, composite fuel is first used for direct carbon fuel cells in the project, that is, a small amount of high-active biomass char is mixed with brown coal fuel and applied for DCFC, and ultimately improves the electrochemical performance of the whole cell. At the same time, the catalytic mechanism of Boudouard reaction catalyst in composite fuel is systematically studied. In addition, from the view of enhancing the activity of direct oxidation of carbon fuel at intermediate temperature, the fuel reaction catalyst which is suitable for intermediate-temperature direct lignite fuel cell is investigated, so as to reduce the operation temperature of direct carbon fuel cell and further improve the fuel utilization efficiency. The research of this project will provide direction guidance and important data support for the development of high performance direct lignite fuel cell, and provide a new way for efficient and clean use of coal power generation.

直接碳燃料电池（DCFC）可直接使用固体碳通过电化学氧化的方式发电，由于其能量转换效率高，环境友好等优点，近年来受到了研究者广泛的关注。其中使用煤炭的DCFC是实现其商业化应用的一个重要途径。然而，煤炭由于碳含量低、灰分挥发分等杂质多导致以煤炭为燃料的DCFC性能偏低。有鉴于此，本项目首次将复合燃料用于直接碳燃料电池，即采用少量的高活性生物质炭复合褐煤燃料并用于DCFC，且最终提升整个电池的电化学性能，同时研究复合燃料中Boudouard反应催化剂的催化机理。此外，从增强碳燃料中温直接氧化活性的角度出发，研究适用于中温直接褐煤燃料电池的燃料反应催化剂，从而降低直接碳燃料电池的工作温度并进一步提高燃料利用效率。本项目的研究将为开发高性能的直接褐煤燃料电池提供方向性指导和重要数据支持，并为高效清洁使用煤炭发电提供一条新途径。

直接碳燃料电池（DCFC）是一种将固体碳电化学氧化的新型高效发电装置，其中高效清洁使用煤炭发电的DCFC是实现“双碳战略”的重要途径。然而，煤炭由于碳含量低、灰分挥发分等杂质多导致以煤炭为燃料的DCFC性能偏低。有鉴于此，本项目首次将复合燃料用于直接碳燃料电池，即采用少量的高活性生物质炭复合褐煤燃料并用于DCFC，且最终提升整个电池的电化学性能。同时还研究了复合燃料中Boudouard反应催化剂的催化机理，以进一步指导燃料侧催化剂的开发。.在本项目实施过程中，我们开展了如下研究工作：.（1）首先对DCFC的燃料筛选，发现相比于陆生植物生物质炭，海带生物质炭具有更多的微孔结构，更低的碳含量，且Ca，Na，Mg等金属元素在海带生物炭中大量存在。因此将海带炭作为DC-SOFC的燃料进行了电化学测试，发现具有很高的性能，通过进一步分析发现高的电化学性能归因于海带炭燃料丰富的孔结构和超高的逆Boudouard反应活性。.（2）受到海带炭燃料的高活性的启发，我们将少量的海带生物质碳掺杂改性热解褐煤炭，并将该种复合燃料作为DC-SOFC的燃料，在850 ℃时的最大输出功率密度可达到299 mW cm-2，相比于单一的以热解褐煤为燃料的电池的性能有很明显的提升。说明天然的海洋生物质可以为DC-SOFC燃料侧提供优异的逆Boudouard反应催化剂成分。.（3）此外，我们还通过在CO2气氛下进行DC-SOFC燃料TG-DSC测试，模拟了电池阳极室环境下，研究了碱金属Na+对逆Boudouard反应催化效果的影响。结果表明：海带炭掺杂对其他碳材料逆Boudouard 反应的催化作用与其中的Na+含量有关；随着海带炭掺杂量的增加，逆 Boudouard 反应起始温度不断降低；相同Na+掺杂量下，不同Na盐对逆Boudouard 反应的催化效果有差异（NaNO3 / Na2CO3> Na2SO4 / NaCl > Fe2O3）。.本项目的研究将为开发高性能的直接褐煤燃料电池或以其他煤炭为燃料的DCFC提供方向性指导和思路，并为高效清洁使用煤炭发电提供一条新途径。此外，通过对燃料侧催化剂催化机理的研究，对于探索新型逆Boudouard反应催化剂提供了理论基础。