基于多孔介质燃烧的直接火焰燃料电池反应机理与性能研究

The direct flame fuel cell (DFFC) directly combines a fuel-rich flame and a fuel cell in a “no-chamber” setup, which is a promising fuel cell for distributed power systems. A direct flame fuel cell is implemented based on a porous media burner with catalytic enhancement and a micro-tubular solid oxide fuel cell (SOFC) in this project. The influences of the flame operation conditions and the addition of the catalytic layer on the distribution of the flame temperature and the gas composition as well as the fuel cell performance are studied. The coupling mechanism is explored for the homogeneous chemical reactions of the flame, the heterogeneous chemical reactions on the catalytic surface of both the burner and the electrode, as well as the charge transfer reactions. The elementary reaction level model of the direct flame fuel cell is developed by incorporation of homogeneous/heterogeneous chemical reactions, charge transfer reactions and complex transport phenomena (momentum, mass, charge and heat transfer) in both the porous media and the fuel cell. The reaction rate controlling steps and the coupling characteristics of the fuel-rich flame and the fuel cell are clarified by integrating the model with the systematical experimental tests. The proposed project can be the theoretical foundation for performance improvement and novel configuration development of the direct flame fuel cell.

直接火焰燃料电池将富燃火焰与燃料电池在“无室”构型下耦合，是一类具有重要应用前景的新型燃料电池，特别有望应用于分布式发电系统。本项目采用催化增强的多孔介质燃烧器与微管式固体氧化物燃料电池组成的直接火焰燃料电池，揭示火焰操作条件参数及催化层对富燃火焰产物组成、温度分布以及电池性能的综合影响规律，阐明电池阳极火焰均相化学反应、燃烧器催化剂表面非均相化学反应、电极催化剂表面非均相化学反应以及电荷转移反应之间的竞争耦合作用机制。综合考虑均相/非均相化学反应、电荷转移反应及多孔介质与电池的传热、传质特性，建立直接火焰燃料电池基元反应机理模型。明确直接火焰燃料电池反应速率控制步骤，掌握富燃火焰与燃料电池的耦合特性及操作条件优化策略，为电池性能的进一步改进及新电池构型开发奠定一定的理论基础。

直接火焰燃料电池（DFFC）将富燃火焰与燃料电池在“无室”构型下耦合，具有结构紧凑、启动迅速、燃料适应性广等优点。本项目分别从富燃火焰、燃料电池、电池单元及系统分析层面，深入研究了DFFC的反应机理与性能规律。. 首先，针对DFFC中富燃燃烧器重整效率低的问题，提出两段式多孔介质燃烧器产生甲烷富燃火焰，掌握了操作条件对燃烧器内温度分布及燃烧产物组成的影响规律。通过引入催化剂可进一步减低体系中慢速反应活化能，将富燃重整效率提升至64.8%。综合考虑多孔介质内的流动、传热传质过程及火焰区的均相反应和催化剂表面的非均相反应，建立了催化增强多孔介质燃烧器中甲烷富燃燃烧的二维基元反应模型，分析了电池阳极火焰均相化学反应与燃烧器催化剂表面非均相化学反应的相互作用机制，均相反应与非均相反应相互促进，共同提升体系中化学反应速率与H2产率。. 随后，针对不同富燃火焰组分，制备条纹图案阳极SOFC，获得了电化学反应本征动力学数据，分析了阳极反应速率控制步骤，建立了电池反应机理模型。在此基础上，设计搭建了基于多孔介质燃烧器的FFC电池单元，实现了多孔介质燃烧与不同构型SOFC的直接耦合。通过设计引入环形高温热管将管式SOFC轴向温度梯度从31 K/cm减小至13 K/cm，电池温度区间在1073~1203 K之间，使电池失效概率降低一个数量级。建立了二维轴对称DFFC电池单元模型，分析了多孔介质富燃火焰与 SOFC 阳极的耦合作用机制。在电池单元研究的基础上，实现了 DFFC 电堆的设计搭建与稳定运行，4 根并联 SOFC 电堆最大发电功率为 3.6 W，有效提升DFFC发电效率。. 最后，构建了基于 DFFC 的微型热电联供系统模型，研究了系统性能特性和动态响应特性，系统发电效率不足 20 %，但联供效率可达 90 %，明确了 DFFC 的应用场合为热电联供/热电冷三联供。