[01383391]熔融碳酸盐燃料电池固体炭阳极的研究

系统研究了活性炭在熔融碳酸盐中的直接电化学氧化性能,取得了如下的重要研究成果： 1、设计制备了用于固体炭直接电化学氧化反应的高温三电极体系。组装了炭粉-隔膜-阴极夹心型,炭泥-隔膜-阴极夹心型,炭泥-隔膜-阴极套管型三种结构的直接碳燃料电池（参见图1）。建立了评价固体碳在熔融碳酸盐体系中电化学氧化反应性能的测试和评价方法和采用气相色谱分析碳电氧化产物组成的分析方法。 2、以活性炭为研究试样,研究了其在熔融碳酸盐中的直接电化学氧化性能。考察了炭粒径、碳酸盐中炭含量、反应温度和反应气氛等对活性炭的电化学氧化性能的影响。发现升高反应温度、适当增加炭含量、减小炭粒子粒径和通N2均会提高活性炭的电化学氧化活性。炭含量为15g的、炭的粒径﹤150目的活性炭在850℃、通入N2保护和电位扫速为20mV/s时的开路电位达-1.40V,-0.4V下的电流密度可达200mA/cm2。 3、研究了活性炭的预润湿处理对其电氧化性能的影响。发现利用Li2CO3-K2CO3水溶液对活性炭进行预浸润,可有效地增大炭粉的电化学反应面积,显著提高了炭在熔融碳酸盐中的电化学氧化性能。750℃时预润湿的炭粉与未预润湿相比,开路电位负移了0.22 V,同样电位下电流密度提高了50 mA/cm2。 4、研究了非氧化性的酸（HF）、氧化性的酸（HCl和HNO3）、碱（NaOH）、H2O2、NaClO等对活性炭电氧化性能的影响。发现酸碱处理均能提高碳电氧化活性,酸处理的效果优于碱处理。处理效果顺序为：HF HCl＞HNO3＞NaOH。这一顺序与处理后的活性碳的比表面积和微孔体积减小的顺序是一致的,表明酸碱处理的作用之一是脱灰造孔,从而增加的碳电氧化的活性表面积。酸碱处理还可改变碳表面的官能团,影响其界面电荷分布状况,有利于氧负离子吸附。发现经H2O2氧化处理的活性炭,其极化率较小,电化学性能较好,在-0.2 V极化电势条件下,最大极化电流密度达到300 mA/cm2;而经过NaClO氧化处理的活性炭,极化率较大,在-0.2 V极化电势条件下,最大极化电流密度仅为140 mA/cm2,两者相差160 mA/cm2左右。研究了反应温度及过电位对石墨电化学氧化产物组成的影响。发现在650 ℃下,极化电势小于或等于100 mV时,氧化产物除了CO2外,还有CO,且随极化电势的增大,CO的含量增大。极化电势大于100 mV时,氧化产物只有CO2。750 ℃时,当极化电势小于300 mV时,产物中存在CO,其含量随极化电势的增大而减小,300 mV以上的极化电势下产物只有CO2。