煤基碳的Boudouard氣化反應(yīng)性及其DC-SOFC電化學(xué)性能研究.pdf

1、煤炭是目前地球上儲(chǔ)量最豐富、最廉價(jià)的化石燃料，約占世界一次能源的30％，燃煤發(fā)電約占全球發(fā)電量的40%。傳統(tǒng)燃煤發(fā)電技術(shù)存在能量轉(zhuǎn)換效率低，二氧化碳和其他污染物排放量大的嚴(yán)重缺陷，加之化石能源的有限性，因此，對(duì)煤炭的高效潔凈利用是亟待解決的重大課題。燃料電池是新一代高效、清潔的發(fā)電技術(shù)，對(duì)解決我國(guó)能源匱乏和環(huán)境污染問題具有重大意義。
　　固體氧化物燃料電池（SOFCs）是一種不經(jīng)過燃燒直接將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿陌l(fā)電裝置。燃料電

2、池的燃料不經(jīng)歷燃燒，污染物排放量低，對(duì)環(huán)境友好；無(wú)運(yùn)動(dòng)組件，工作安靜，噪音低。固體氧化物燃料電池最顯著的特點(diǎn)是其燃料的多樣性，可以使用如氫氣、天然氣、甲醇、汽油以及固體碳等燃料，其中碳燃料具有能量密度大、安全性高、易運(yùn)輸與儲(chǔ)藏的優(yōu)點(diǎn)，而且，單一尾氣二氧化碳易于捕集和減排。因此，直接碳固體氧化物燃料電池(direct carbon solid oxide fuel cells, DC-SOFC）引起越來越多研究者的關(guān)注。
　　煤焦是

3、煤炭高溫?zé)峤獾玫降囊环N熱值很高的固體產(chǎn)物，是適合用于直接碳固體氧化物燃料電池（DC-SOFC）的一種碳燃料。煤焦主要由固定碳、灰分、水分、揮發(fā)分等組成。研究表明，部分灰分對(duì)煤焦的逆Boudouard反應(yīng)起抑制作用，而通過酸法活化可以除去這些抑制成分。因此本論文采用非含氧酸HF、HCl和及其混酸（HF+HCl）化學(xué)脫灰活化煤焦的方法，研究煤焦灰分對(duì)固體氧化物燃料電池電化學(xué)性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，HF+HCl活化后煤焦里抑制逆Boudouar

4、d反應(yīng)的硅、鋁氧化物的含量大大降低，逆Boudouard反應(yīng)溫度從845℃降低到了799℃；電池峰值功率密度從67.4 mW cm-2增加到110.2 mW cm-2；燃料活化煤焦的利用率是原煤焦的1.2倍。
　　逆Boudouard反應(yīng)是制約直接碳固體氧化物燃料電池（DC-SOFC）電化學(xué)性能的關(guān)鍵反應(yīng)，而催化劑的引入能有效提高逆Boudouard反應(yīng)速率。鋼渣是一種工業(yè)廢渣，其堆放會(huì)占用大量的土地資源，造成水體和空氣污染。對(duì)鋼

5、渣進(jìn)行回收利用不僅可以保護(hù)環(huán)境，還能充分利用自然資源，提高鋼渣利用率。
　　本論文研究了經(jīng)過酸溶堿沉煅燒處理的鋼渣對(duì)逆Boudouard反應(yīng)的催化效應(yīng)。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)處理的鋼渣礦物相分解，得到了含F(xiàn)e、Ca、Mg等元素的氧化物，這些氧化物有顯著的逆Boudouard反應(yīng)催化作用。結(jié)果表明，酸活化鋼渣催化劑使煤焦的逆Boudouard的反應(yīng)的起始溫度降低了240℃，在800℃時(shí)的CO生成速率提高了4倍；在電化學(xué)性能上，酸活化鋼渣催化劑使電