鋼渣催化劑提升直接碳燃料電池性能研究

付藝麗,薛曉婷,焦勇*,安文汀,邵宗平,李思殿

(1.山西大學(xué) 分子科學(xué)研究所,能量轉(zhuǎn)化與存儲材料山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西 太原 030006;2.山西大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院,山西 太原 030006;3.南京工業(yè)大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院,江蘇 南京 210009)

鋼渣催化劑提升直接碳燃料電池性能研究

付藝麗1,薛曉婷1,焦勇1*,安文汀2,邵宗平3,李思殿1

(1.山西大學(xué) 分子科學(xué)研究所,能量轉(zhuǎn)化與存儲材料山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西 太原 030006;2.山西大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院,山西 太原 030006;3.南京工業(yè)大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院,江蘇 南京 210009)

固體碳的CO2氣化反應(yīng)(C+CO2=2CO),即逆Boudouard反應(yīng),是制約固體氧化物直接碳燃料電池(solid oxide direct carbon fuel cell, SO-DCFC)性能的關(guān)鍵反應(yīng)之一。文章在比較煤焦和擔(dān)載酸活化鋼渣的煤焦的逆Boudouard反應(yīng)性的基礎(chǔ)上,研究比較了以二者為燃料的SO-DCFC的電化學(xué)性能。結(jié)果表明,酸活化鋼渣催化劑使煤焦的逆Boudouard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池在850 ℃時(shí)的峰值功率密度從67.4 mW·cm-2提升到200.4 mW·cm-2,燃料利用率從41.5%提高至79.6%。

固體氧化物直接碳燃料電池;鋼渣催化劑;酸法活化;逆Boudouard反應(yīng);電化學(xué)性能

0 引言

固體氧化物直接碳燃料電池 (solid oxide direct carbon fuel cell,SO-DCFC) 是一種以固體氧化物為電解質(zhì)可直接將固體碳燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿碾娀瘜W(xué)裝置,具有全固態(tài)結(jié)構(gòu)、能量轉(zhuǎn)化效率高、環(huán)境友好、燃料來源廣等特點(diǎn)。1988年,Nakagawa等提出了SO-DCFC的陽極反應(yīng)機(jī)理[1]:

(1)

(2)

反應(yīng)1是CO的電化學(xué)氧化反應(yīng),反應(yīng)2是碳的CO2氣化反應(yīng),即逆Boudouard反應(yīng)。SO-DCFC以CO為載體實(shí)現(xiàn)了固體碳燃料在陽極的高效傳質(zhì),是保障陽極燃料供應(yīng)的關(guān)鍵反應(yīng)。反應(yīng)2是一個(gè)吸熱反應(yīng),其在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的反應(yīng)熱ΔrHm=+172.47 kJ·mol-1,在SO-DCFC的工作溫度區(qū)間具有較高的反應(yīng)活化能,反應(yīng)速率較低,往往造成燃料供應(yīng)不足,引起較大濃差極化,制約電池輸出性能的提高。近來的研究顯示,利用逆Boudouard反應(yīng)催化劑可顯著提高反應(yīng)2的速率,改善電池性能[2-6]。Tang等以擔(dān)載Fe催化劑的活性炭為燃料,800℃下SO-DCFC的峰值功率密度由未擔(dān)載催化劑時(shí)的4 mW·cm-2提高到45 mW·cm-2[3]。然而,文獻(xiàn)中報(bào)道的逆Boudouard反應(yīng)催化劑通常由含堿金屬、堿土金屬和Fe、Co、Ni等過渡金屬元素的化學(xué)試劑來制備,成本較高且再生困難[4-6]。因此,對低成本高效催化劑的研究已成為當(dāng)前SO-DCFC領(lǐng)域的一個(gè)重要熱點(diǎn)。

鋼渣是一種工業(yè)固體廢棄物,其大量堆存會占用土地,污染土壤、水體和空氣,危害人體健康。鋼渣的綜合利用兼具經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益[7-9]。鋼渣中含有催化逆Boudouard反應(yīng)的鈣、鐵、鎂等金屬氧化物,是一種極具潛力的催化劑前體。但鋼渣中的氧化物通常與硅鋁酸鹽形成固溶體,或與硅酸鹽形成質(zhì)地堅(jiān)硬的玻璃體包覆物,導(dǎo)致其催化活性較低,一般需經(jīng)活化處理,使固溶體、玻璃體等礦物相分解為結(jié)構(gòu)疏松的氧化物相,釋放出催化活性物質(zhì),提高其催化性能[7-9]。本文在對鋼渣進(jìn)行酸活化處理的基礎(chǔ)上,研究比較了煤焦和擔(dān)載酸活化鋼渣的煤焦的逆Boudouard反應(yīng)性以及以二者為燃料的SO-DCFC的電化學(xué)性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

試劑:氧化鎳(蜀都納米材料公司,成都)、氧化釔穩(wěn)定氧化鋯(YSZ,江蘇宜興粉體廠,宜興)、聚乙烯醇縮丁醛、無水乙醇、異丙醇、乙二醇、丙三醇、鹽酸和氫氧化鉀均為分析純試劑(阿拉丁試劑公司,北京),導(dǎo)電膠(上海合成樹脂研究所,上海)、鋼渣樣品(太原鋼鐵集團(tuán)公司)。

儀器:行星式高能球磨儀(德國FRITSCH公司,Pulverisett-6)、氫氣發(fā)生器(北京中惠普分析技術(shù)研究所,SPH-500)、箱式高溫爐(合肥科晶材料技術(shù)有限公司,KSL-1700X)、燃料電池測試系統(tǒng)(南京寧澳新能源有限公司,NA-SOFC-B)、電化學(xué)工作站(荷蘭Ivium Technologies BV公司,Ivium Stat)、掃描電子顯微鏡(日本JEOL,JSM-7001F)、X-射線衍射儀(德國BRUKER公司,D8 Advance)和氣相質(zhì)譜儀(英國Hiden,QIC-20)。

1.2 酸法活化鋼渣催化劑的制備

取10 g 鋼渣(以Slag表示),研磨后過120目篩,溶解于120 mL 5 mol·L-1HCl中,80℃下攪拌5 h,趁熱過濾,分離除去膠狀硅膠沉淀。取濾液,在其中加入飽和KOH溶液,將Fe3+、Ca2+、Mg2+等離子沉淀析出。所得的沉淀,在600℃下煅燒1 h,制得酸法活化鋼渣(以ASlag表示)[7]。取一定比例的ASlag和煤焦(以Cc表示),以無水乙醇為介質(zhì),球磨20 min,然后在105℃下干燥2 h,得到擔(dān)載有催化劑的碳樣。

1.3 電池制備和電化學(xué)性能測試

陽極支撐型燃料電池的制備參見文獻(xiàn)[10]。電池測試裝置如圖1所示。碳燃料放入陽極腔并用石棉固定,靜態(tài)空氣為氧化劑。采用Ivium電化學(xué)工作站測試電池的電化學(xué)性能,用四電極法測試極化曲線(I-V),交流阻抗譜(Electrochemical Impedance Spectra,EIS)的測試頻率范圍為0.1～1 000 kHz,交流信號的振幅為10 mV。

Fig.1 Schematic of the fuel cell test setup圖1 燃料電池測試裝置示意圖

1.4 微觀形貌觀察和物相分析

采用場發(fā)射掃描電子顯微鏡(JEOLJSM-7001F)觀察鋼渣和酸活化鋼渣的微觀形貌。

采用德國BRUKER公司D8 Advance 粉末衍射儀測試鋼渣和酸活化鋼渣的物相結(jié)構(gòu),以Cu-K(λ=0.154 18 nm)為射線源,室溫采集數(shù)據(jù),掃描范圍2θ=10°～80°,掃描步進(jìn)速率10°·min-1。通過MDI Jade 5.0 軟件對得到的XRD圖譜進(jìn)行物相分析。

1.5 催化性能評價(jià)

催化劑對煤焦的逆Boudouard反應(yīng)的催化活性通過二氧化碳升序升溫氧化法(Carbon Dioxide Temperature-Programmed Oxidation,CO2-TPO)來評價(jià)。稱取一定量的煤焦,將其置于內(nèi)徑為3 mm的U型管中,CO2以20 mL·min-1的流速通入U(xiǎn)型管中,待基線穩(wěn)定后,從室溫以10℃·min-1的速率升溫到1000℃,樣品在此過程中被逐漸氧化為CO,從反應(yīng)器流出的氣體進(jìn)入到Hiden QIC-20型在線氣體分析質(zhì)譜儀以檢測CO的強(qiáng)度。

2 結(jié)果與討論

2.1 鋼渣的化學(xué)組成及微觀形貌

鋼渣樣品的主要化學(xué)組成如表1所示,其中的Cr2O3、TiO2、NiO等少/微量成分略。從表1可知,鋼渣的主要化學(xué)成分為CaO、FemOn、SiO2和MgO數(shù)值為質(zhì)量百分比。

表1 鋼渣的主要化學(xué)組成Table 1 Chemical composition of the steel-slag sample

由圖2(a)可知,組成鋼渣的礦物相結(jié)構(gòu)致密。經(jīng)酸活化后,其結(jié)構(gòu)因固溶體、玻璃體的分解而變得疏松多孔(圖2(b))。

Fig.2 SEM of (a) Slag and (b) ASlag圖2 鋼渣(a)和活化鋼渣(b)的SEM圖

2.2 鋼渣及活化鋼渣的物相分析

由圖3可知,鋼渣中含有多種礦物相,主要有硅酸二鈣2CaO-SiO2、鐵酸二鈣2CaO-Fe2O3、鐵鋁酸鈣Ca2(Fe,Al)O5,以及由鎂、錳、鐵的氧化物所形成的固熔體(MgO)x(FeO)y、(MgO)x(MnO)y[11]。經(jīng)酸活化處理后,鋼渣的礦物相大部分分解為CaO、Ca(OH)2、FemOn等氧化物,活化鋼渣與原鋼渣在物相組成上發(fā)生了顯著變化。

Fig.3 XRD spectra of Slag and ASlag圖3 鋼渣及活化鋼渣的XRD圖譜

根據(jù)鋼渣的礦物相組成,其酸法活化過程主要應(yīng)涉及以下化學(xué)反應(yīng):

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

生成的可溶性金屬氯化物經(jīng)飽和KOH溶液沉淀,再經(jīng)煅燒處理,得到相應(yīng)的金屬氧化物。

2.3 鋼渣及活化鋼渣的逆Boudouard反應(yīng)催化性能

CO2-TPO是評價(jià)固體碳的逆Boudouard反應(yīng)性和相關(guān)催化劑的催化活性的一種有效手段[10,12]。圖4是Cc+ASlag、Cc+Slag和Cc的CO2-TPO測試結(jié)果。若以CO的強(qiáng)度達(dá)到5.0×10-8Torr時(shí)作為反應(yīng)的起始點(diǎn),則由圖4可知,Cc+ASlag、Cc+Slag和Cc的起始反應(yīng)溫度分別約為660℃、770℃和900℃,前二者比Cc分別降低了240℃和130℃。在850℃時(shí),Cc+ASlag、Cc+Slag和Cc的產(chǎn)生的CO強(qiáng)度分別為2.0×10-7、7.9×10-8和4.0×10-8Torr,前二者分別是Cc的5.0倍和2.5倍。上述結(jié)果表明,球磨后的鋼渣具有一定的催化活性,而酸法活化使得鋼渣的催化活性顯著提高。這是由于原鋼渣中的礦物相(如硅酸二鈣)晶粒大、結(jié)構(gòu)致密,而固溶體相與硅酸鹽之間形成質(zhì)地堅(jiān)硬的玻璃包裹體,這些結(jié)構(gòu)大大抑制了其催化活性。經(jīng)酸活化后,鋼渣中的致密礦物相分解為疏松的氧化物,如CaO、FemOn等,它們是催化逆Boudouard反應(yīng)的常見高效催化劑,因此,酸活化鋼渣的催化能力大幅增強(qiáng)。

Fig.4 CO2-TPO profiles of Cc+ASlag, Cc+Slag and Cc圖4 Cc+ASlag、Cc+Slag和Cc的CO2-TPO測試圖

FemOn的氧轉(zhuǎn)移催化機(jī)理已得到研究者的廣泛認(rèn)同[10，12-15]:

(8)

(9)

(10)

關(guān)于CaO的催化機(jī)理,尚存在不同觀點(diǎn)。一種觀點(diǎn)認(rèn)為是與FemOn相類似的氧轉(zhuǎn)移機(jī)理[15],而另一種觀點(diǎn)則認(rèn)為是通過CaO-CaCO3循環(huán)機(jī)理[14]:

(11)

(12)

(13)

(14)

以式中Cf表示碳的反應(yīng)活性位點(diǎn),C(O)表示碳-氧復(fù)合物。

2.4 鋼渣催化劑對SO-DCFC的極化行為及功率輸出性能的影響

圖5(a)描述以擔(dān)載酸活化鋼渣的Cc(以Cc+Aslag表示)為燃料,在不同溫度下電池的I-V/I-P圖。從圖5 (a)可知,隨著溫度的降低,電池的極化現(xiàn)象漸趨嚴(yán)重,峰值功率密度大幅衰減,由200.4 mW·cm-2降至127.5 mW·cm-2,直至71.2 mW·cm-2。同時(shí),隨著溫度的降低,電池的開路電壓(open-circuit voltage, OCV)也由0.943 V,逐漸降低至0.890 V和0.815 V。圖5(b)是對應(yīng)于圖5(a)的交流阻抗譜圖(EIS)。從圖5(b)可知,隨著溫度的降低,電池的極化阻抗(Rp)顯著增大,由0.86 Ω·cm2增加至1.56 Ω·cm2,直至3.20 Ω·cm2,與圖5 (a)中極化曲線的變化趨勢相吻合。特別地,隨著溫度的下降,Rp在小于10.6 Hz的低頻區(qū)增幅較大,表明電極中氣體擴(kuò)散阻力的增加顯著[15-17]。電池的極化阻抗(Rp)包括陰極極化和陽極極化。隨著電池的工作溫度降低,陰極催化還原O2為O2-的活性降低,導(dǎo)致陰極極化阻抗增加;同時(shí),陽極腔中逆Boudouard反應(yīng)速率下降,導(dǎo)致CO濃度下降和陽極極化阻抗增加。而陽極CO濃度下降,是電池的開路電壓下降的直接原因之一[3,10]。另外,溫度降低會導(dǎo)致電解質(zhì)的氧離子傳導(dǎo)電阻增加,表現(xiàn)在電池的歐姆極化阻抗增加(Ro)。如圖5 (b)所示,隨著溫度下降,Ro由0.09 Ω·cm2增加至0.12 Ω·cm2和0.18 Ω·cm2。顯然,Ro的增幅小于Rp的。

Fig.5 I-V(Hollow Curves)/I-P(Solid Curves) curves (a) and EIS spectra (b) of Cc+ASlag at various temperatures圖5 不同溫度下,Cc+ASlag的I-V(空心曲線)/I-P(實(shí)心曲線)曲線(a)和交流阻抗譜(b)

圖6(a)表示在850℃,分別以Cc+Aslag和純Cc為燃料時(shí)電池的I-V/I-P圖。由前述分析可知,在同一溫度下,影響電池極化行為和功率輸出的主要因素應(yīng)是陽極CO濃度,它取決于碳燃料的逆Boudouard反應(yīng)速率。由圖6 (a)可知,在850℃時(shí),Cc對應(yīng)的峰值功率密度(peak power density, PPD)為67.4 mW·cm-2,而Cc+Aslag對應(yīng)的PPD值為200.4 mW·cm-2,后者約是前者的3倍。顯然,酸活化鋼渣催化劑能夠顯著提高逆Boudouard反應(yīng)速率,增加陽極CO濃度,大幅提升電池的功率輸出性能,這一結(jié)果與2.3部分碳燃料的CO2-TPO結(jié)果相吻合。圖6(b)是對應(yīng)于圖6(a)的電池的EIS圖。從圖6(b)可知,Cc+Aslag和Cc燃料對應(yīng)的歐姆極化阻抗Ro分別為0.095 Ω·cm2和0.103 Ω·cm2,基本一致,而二者對應(yīng)的極化阻抗(Rp)卻差別顯著,分別為0.855 Ω·cm2和2.703 Ω·cm2。在相同的工作溫度下,這主要反映了與兩種燃料對應(yīng)的陽極極化的差異,即酸活化鋼渣催化劑顯著提高了碳燃料的逆Boudouard反應(yīng)速率,使CO濃度提高,陽極極化阻抗顯著減小。

Fig.6 I-V(Hollow Curves)/I-P(Solid Curves) curves (a) and EIS spectra (b) of Cc+ASlag and Cc at 850℃圖6 850℃時(shí),Cc+ASlag和Cc的I-V(空心曲線)/I-P(實(shí)心曲線)曲線(a)和交流阻抗譜(b)

開路電壓(OCV)是評價(jià)燃料電池電化學(xué)性能的重要參數(shù)之一。SO-DCFC的理論開路電壓可用Nernst方程表示如下[3,10]:

(15)

2.5 鋼渣催化劑對SO-DCFC運(yùn)行穩(wěn)定性及碳燃料利用率的影響

圖7是分別以Cc和Cc+ASlag為燃料,在100 mA·cm-2電流密度下電池的穩(wěn)定性測試圖。當(dāng)以Cc為燃料時(shí),電池共運(yùn)行了93 min,其中前66 min在0.6 V以上運(yùn)行,隨后電壓快速衰減至零。當(dāng)以Cc+ASlag為燃料時(shí),電池共運(yùn)行了356 min,其中在0.7 V以上穩(wěn)定運(yùn)行了近167 min,隨后電壓緩慢衰減至零。從圖7可知,使用Cc燃料時(shí),電池的電壓波動(dòng)和衰減都較劇烈,表明Cc的逆Boudouard反應(yīng)速率較低,產(chǎn)生的CO不足以維持電池穩(wěn)定運(yùn)行,而使用Cc+ASlag為燃料時(shí),電池的運(yùn)行穩(wěn)定性顯著改善,電壓衰減緩慢,表明擔(dān)載ASlag催化劑的Cc具有較高的逆Boudouard反應(yīng)速率和CO供應(yīng)能力,電池的輸出穩(wěn)定性因此得到顯著提高。

表2 SO-DCFC穩(wěn)定性測試Table 2 Information of stability test of SO-DCFCs using various fuels

Fig.7 Stability test of SO-DCFCs using Cc and Cc+ASlag as fuel under 100 mA·cm-2at 800℃圖7 分別以Cc和Cc+ASlag為燃料的SO-DCFC在800℃和100 mA·cm-2下的穩(wěn)定性測試

燃料利用率(式16)是評價(jià)碳燃料適用性的一個(gè)重要指標(biāo)。

(16)

其中Celec和Cld分別表示電化學(xué)轉(zhuǎn)化的碳和裝載在陽極的碳的質(zhì)量。

如表2所示,Cc+ASlag的燃料利用率為79.63%,約是Cc的2倍(41.50%),表明擔(dān)載ASlag催化劑的Cc的燃料適用性較Cc為之高。這一結(jié)論與前述的電化學(xué)性能和CO2-TPO測試結(jié)果相一致。

3 結(jié)論

本文在對鋼渣進(jìn)行酸法活化處理的基礎(chǔ)上,研究了酸活化鋼渣對煤焦的逆Boudouard反應(yīng)的催化性能,以及以擔(dān)載酸活化鋼渣的煤焦作為燃料的SO-DCFC的電化學(xué)性能。結(jié)果表明,酸活化鋼渣具有顯著的催化活性,使煤焦的逆Boudouard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。同時(shí),擔(dān)載酸活化鋼渣的煤焦顯著提升了SO-DCFC的輸出性能,使電池在850℃時(shí)的峰值功率密度從67.4 mW·cm-2提高到200.4 mW·cm-2,燃料利用率從41.5%提高至79.6%。作為一種低成本高效催化劑,酸活化鋼渣在SO-DCFC領(lǐng)域具有較大應(yīng)用潛力。

[1] Nakagawa N,Ishida M.Performance of an Internal Direct-oxidation Carbon Fuel Cell and Its Evaluation by Graphic Exergy Analysis[J].Industrial&EngineeringChemistryResearch,1988,27(7):1181-1185.DOI:10.1021/ie00079a016.

[2] Zhou W,Jiao Y,Li S,etal.Anodes for Carbon-fueled Solid Oxide Fuel Cells[J].ChemElectroChem,2016,3(2):193-203.DOI:10.1002/celc.201500420.

[3] Tang Y B,Liu J.Effect of Anode and Boudouard Reaction Catalysts on the Performance of Direct Carbon Solid Oxide Fuel Cells[J].InternationalJournalofHydrogenEnergy,2010,35(20):11188-11193.DOI:10.1016/j.ijhydene.2010.07.068.

[4] Rady A,Giddey S,Kulkarni A,etal.Catalytic Gasification of Carbon in a Direct Carbon Fuel Cell[J].Fuel,2016,180:270-277.DOI:10.1016/j.fuel.2016.04.047.

[5] Lahijani P,Zainal Z,Mohammadi M,etal.Conversion of the Greenhouse Gas CO2to the Fuel Gas CO Via the Boudouard Reaction:A Review[J].RenewableandSustainableEnergyReviews,2015,41(39):615-632.DOI:10.1016/j.rser.2014.08.034.

[6] Nzihou A,Stanmore B,Sharrock P.A Review of Catalysts for the Gasification of Biomass Char,with some Reference to Coal[J].Energy,2013,58(3):305-317.DOI:10.1016/j.energy.2013.05.057.

[7] 耿磊.鋼渣的處理與綜合應(yīng)用研究[D].南京:南京理工大學(xué),2010.

[8] 王德永,李勇,劉建,等.鋼渣中同時(shí)回收鐵和磷的資源化利用新思路[J].中國冶金,2011,21(8):50-54.DOI:10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.2011.08.012.

[9] 張勁,陸文雄,王雪,等.鋼渣的利用及其應(yīng)用研究進(jìn)展[J].粉煤灰綜合利用,2014(2):46-50.

[10] Jiao Y,Zhao J H,An W T,etal.Structurally Modified Coal Char as a Fuel for Solid Oxide-based Carbon Fuel Cells with Improved Performance[J].JournalofPowerSources,2015,288:106-114.DOI:10.1016/j.jpowsour.2015.04.121.

[11] 侯貴華,李偉峰,郭偉,等.轉(zhuǎn)爐鋼渣顯微形貌及礦物相的研究[J].硅酸鹽學(xué)報(bào),2008,4(36):436-443.DOI：10.14062/j.issn.0454-5648.2008.04.019.

[12] 許凱.K-/Ca-/Fe-化合物的煤催化氣化反應(yīng)機(jī)理研究[D].武漢:華中科技大學(xué),2013.

[13] Skrzypkiewicz M,Lubarska-Radziejewska I,Jewulski J.The Effect of Fe2O3Catalyst on Direct Carbon Fuel Cell Performance[J].InternationalJournalofHydrogenEnergy,2015,40(38)：13090-13098.DOI:10.1016/j.ijhydene.2015.07.132.

[14] Cai W,Zhou Q,Xie Y,etal.A Facile Method of Preparing Fe-loaded Activated Carbon Fuel for Direct Carbon Solid Oxide Fuel Cells[J].Fuel,2015,159:887-893.DOI:10.1016/j.fuel.2015.07.030.

[15] Wu Y Z,Su C,Zhang C M,etal.A New Carbon Fuel Cell with High Power Output by Integrating with in Situ Catalytic Reverse Boudouard Reaction[J].ElectrochemistryCommunications,2009,11(6):1265-1268.DOI:10.1016/j.elecom.2009.04.016.

[16] Zhong Y J,Su C,Cai R,etal.Process Investigation of a Solid Carbon-fueled Solid Oxide Fuel Cell Integrated with a CO2-permeating Membrane and a Sintering-resistant Reverse Boudouard Reaction Catalyst[J].Energy&Fuels,2016,30(3):1841-1848.DOI:10.1021/acs.energyfuels.5b02198.

[17] Li C,Shi Y X,Cai N S.Performance Improvement of Direct Carbon Fuel Cell Byintroducing Catalytic Gasification Process[J].JournalofPowerSources,2010,195(15):4660-4666.DOI:10.1016/j.jpowsour.2010.01.083.

Steel-slagCatalystsforImprovingthePerformanceofDirectCarbonFuelCells

FU Yili1,XUE Xiaoting1,JIAO Yong1*,AN Wenting2,SHAO Zongping3,LI Sidian1

(1.InstituteofMolecularScience,KeyLaboratoryofMaterialsforEnergyConversionandStorageofShanxi,ShanxiUniversity,Taiyuan030006,China;2.CollegeofChemistry&ChemicalEngineering,ShanxiUniversity,Taiyuan030006,China;3.CollegeofChemistry&ChemicalEngineering,NanjingTechUniversity,Nanjing210009,China)

The CO2gasification reaction of solid carbon (C+CO2=2CO), i.e. the reverse Boudouard reaction, is one of the key reactions determining the performance of solid oxide direct carbon fuel cells (SO-DCFC). Based on the comparison study of the reverse Boudouard reactivity of coal char and that loaded with acid-activated steel-slag catalyst, the electrochemical performance of DC-SOFC fuelled with the two fuels was investigated comparatively. The results showed that the acid-activated steel-slag catalyst reduced 240℃ of the initial temperature of the reverse Boudouard reaction of coal char, and increased 4 times of the CO producing rate. For the electrochemical performance, the acid-activated steel-slag catalyst enhanced the peak power density of the cell at 850℃ from 67.4 mW cm-2to 200.4 mW·cm-2, and improved the fuel availability from 41.5% to 79.6%.

solid oxide direct carbon fuel cell;steel-slag catalyst;acid activation;reverse Boudouard reaction;electrochemical performance

10.13451/j.cnki.shanxi.univ(nat.sci.).2017.04.026

2017-03-17；

2017-04-11

山西省自然科學(xué)基金(201601D102014)；山西省科技攻關(guān)項(xiàng)目(20150313003-3)

付藝麗(1988-),女,山西大同人,在讀碩士,研究方向?yàn)橹苯犹既剂想姵?。E-mail:785358887@qq.com

*通信作者：焦勇(JIAO Yong),E-mail:jiaoyong@sxu.edu.cn

O643.36

A

0253-2395(2017)04-0838-08