燃料连续供给熔融氢氧化物直接碳燃料电池构建与阳极催化性能研究

We proposed a research about molten hydroxide direct carbon fuel cell built on the coal and chlor-alkali industrial products along with other resource merits and advantages in Inner Mongolia from exploiting environmentally benign and efficient coal-electric conversion technology. We carry out a new structural design scheme with respect to the contact way between fuel and electrolyte as well as the collector to construct a new-type molten hydroxide direct carbon fuel cell according to weaknesses of previous work about the structural design of batteries. Brown coal of Inner Mongolia was employed as fuel after deashed and surface treatments, to study the effect of carbon surface state on catalytic oxidation performance and its mechanism in alkaline medium. Research on the confine of neutral reaction between carbon dioxide and alkaline electrolytes from anode mobile phase composition will be conducted. Changing and optimizing anode mobile phase composition can improve efficiency accompany with reducing the internal resistance. The utilization efficiency of unit fuel and reducible carbon dioxide footprint can be achieved because of our successful system, along with soundly environmental atmosphere. It is pivotal to raise Improve, economic use, has. There is positive significance for the social and economic development of Inner Mongolia to raise the efficient of regional resources economically. Furthermore, it will have a revolutionary impact on present coal-electricity conversion technology, and of course it also can provide technical support to supply more abounding and durable energy based on limited fossil energy resources for human beings if this technology can be achieved in the near future.

本研究依托内蒙古地区的煤、氯碱工业品等区域资源优势，从发展新型环境友好的高效煤电转换技术出发，拟开展熔融氢氧化物直接碳燃料电池相关研究。针对以往研究中电池结构设计的不足之处，提出新的结构设计方案，改变燃料与电解质及集流体的接触方式，构建新型熔融氢氧化物直接碳燃料电池；拟采用内蒙地区的褐煤经过脱灰及表面处理作为燃料，探讨碱性介质中原料碳表面状态对电催化氧化行为影响以及碳的电催化氧化机理；研究阳极流动相组成对抑制二氧化碳中和碱性电解质反应的作用，通过改变、优化阳极流动相组成，减小电池内阻，提高系统效率。该系统的成功开发可有效提高单位燃料的能量利用效率，降低CO2排放，有效减少因燃煤而造成的各类环境污染；提高区域资源的高效能、经济性利用，对内蒙古的社会经济发展有着积极意义。此外，该技术若研发成功将对现有的煤电转换技术产生革命性的影响，为化石能源资源的高效利用提供新的技术途径。

高效长效的分布式发电装置在军事和民用领域均有着广泛的需求，持续稳定的电力供应对于内蒙地区以及一带一路国家牧区分散居民的生活质量保障与提高有着更重要的意义。本研究以能量高效转化、燃料环保利用及稳定连续产电为目标，选择熔融氢氧化物作为电解液，固体碳作为燃料，构筑熔融氢氧化物直接碳燃料电池（MHDCFC）燃料电池。.项目实施过程中，初步设计了一种静态装置、两种动态装置。采用数值模拟与静态实体装置试验结合，探讨了几何外观与操作参数等多个因素对MHDCFC产电性能的影响，数值模拟的结果显示，随着温度的上升电池的性能也随之增加，电池内部的电流密度分布梯度变大，尤其电极间电流密度增加更加明显；静态试验研究结果也证明MHDCFC的开路电压、阳极电位、极限电流密度和最大功率密度等指标与温度呈现正相关性，且阳极室添加CeO2及过渡金属氧化物对燃料电氧化有促进作用，其中过渡金属氧化物的催化活性由强到弱为，NiO＞Fe2O3＞CuO＞Co3O4；使用COMSOL有限元分析软件模拟分析了所设计的基于微流控芯片思想的熔融氢氧化物直接碳燃料电池阳极室流道、集流体尺寸、燃料进口位置等几何因素对集流体表面浓度分布的影响和速度分布的影响，在提供了一种可能的MHDCFC的电池结构的同时，为基于微流控思想的反应器流道设计提供了模拟实验依据；在定量定性讨论电池几何构型、操作参数与极化损失乃至电池性能关系的基础上，构筑了可连续稳定运行的燃料连续供给MHDCFC。.研究实施过程中，以MHDCFC为研究对象，实现了多种数值方法、流体力学方法等模拟软件在流场、电场中的耦合应用，模拟试验结论经实体电池构建与测试得以验证，明确了前述模拟方法的有效性。相关模拟研究为燃料电池等复杂流场研究提供了新的研究方法。所构建燃料连续供给MHDCFC，通过电池结构创新设计，实现了无隔膜燃料电池的连续运转，在运行效率及连续运行时间方面是以往报道的MHDCFC无法比拟的，尽管性能方面还有很大的优化空间，但本项目目前的设计方案为后续的优化设计提供了基础设计思想。