高效能量轉(zhuǎn)換和儲存過程的理論模擬,分析和實驗研究.pdf

1、開發(fā)高效能量轉(zhuǎn)換和儲存過程是解決能源問題的主要途徑之一。本文首先系統(tǒng)的概述了直接碳燃料電池和全釩液流儲能電池的發(fā)展歷程、研究方法和應(yīng)用情況。然后對直接碳燃料電池進行了從單個碳顆粒,電極,單電池,到高效能量轉(zhuǎn)換過程的理論分析和模擬研究。開發(fā)了乙酰丙酮釩有機電解質(zhì)并應(yīng)用于液流儲能電池。
　　 直接碳燃料電池陽極理論研究。提出了直接碳燃料電池陽極多步驟電化學(xué)反應(yīng)機理。在傳統(tǒng)電化學(xué)動力學(xué)基礎(chǔ)上,引入了基元反應(yīng)平均反應(yīng)時間,推導(dǎo)了陽極反應(yīng)

2、動力學(xué)方程。建立了碳材料(炭黑和石墨)微觀結(jié)構(gòu)模型。定義了活性碳原子濃度。在Nernst方程中引入了固體活度項用于考察直接碳燃料電池的熱力學(xué)性能。結(jié)果表明,修正后的方程所預(yù)測的趨勢與實驗結(jié)果相同。
　　 直接碳燃料電池單電池的理論模擬和分析。模型綜合考慮了電化學(xué)動力學(xué),傳質(zhì)過程和電極反應(yīng)過程。模擬結(jié)果揭示了對直接碳燃料電池單電池實驗研究和商業(yè)應(yīng)用有價值的重要特點。由模擬結(jié)果可知,在單電池工作溫度范圍內(nèi),電池反應(yīng)受陽極活化極化步驟

3、控制。電池工作溫度對各種極化損失尤其是陽極活化極化產(chǎn)生重要影響。發(fā)生反應(yīng)的電極表面積大小和電子傳遞路徑是影響電池性能的重要因素。在碳顆粒直徑為1.0×10-7-1.0×10-4 m范圍內(nèi),單電池功率密度高達200-500 W m-2。
　　 基于甲烷催化裂解過程和雙燃料電池的高效化學(xué)能轉(zhuǎn)換過程的理論模擬和分析。提出了兩個基于甲烷催化裂解過程、直接碳燃料電池、內(nèi)重整固體氧化物燃料電池和氣體透平的高效能量轉(zhuǎn)換過程。對以上過程的主要部

4、件建立了數(shù)學(xué)模型。對直接碳燃料電池和內(nèi)重整固體氧化燃料電池進行了比較研究。結(jié)果顯示,前者具有優(yōu)良的高負載輸出性能,后者在低負載條件下表現(xiàn)較好。采用能量分析和Exergy分析方法對提出的能量轉(zhuǎn)換體系進行了研究。兩個體系的第二定律電效率分別達到52％和69％,第二定律熱電聯(lián)產(chǎn)效率分別超過70％和80％。討論了廢熱進一步回收的可行性。理論上,以上體系可以實現(xiàn)80％的CO2減排。
　　 開發(fā)了一種新型的單組分液流儲能電池有機電解質(zhì)。采用