24、直接碳燃料电池与钙钛矿结构材料的研究进展

直接碳燃料电池与钙钛矿结构材料的研究进展

1. 直接碳燃料电池（DCFC）研究

1.1 DCFC简介

直接碳燃料电池（DCFC）是一种不依赖化石能源来发电的替代方案，相较于其他类型的燃料电池，它具有较高的效率。它能将作为燃料的碳的化学能转化为电能，主要由两个多孔电极（阳极和阴极）以及电解质组成。相关电极反应和总反应如下：
- 阴极反应：$O_2 + 2CO_2 + 4e^−\rightarrow2CO_3^{2−}$
- 阳极反应：$C + 2CO_3^{2−}\rightarrow3CO_2 + 4e^−$
- 总反应：$C + O_2 \rightarrow CO_2$

DCFC可以使用各种碳氢化合物，如生物质和煤炭（生物炭）作为燃料。此前已有众多研究对其进行了探索，例如Vutetakis等人开发了使用煤或碳颗粒分散在熔融碳酸盐中的阳极模型，发现增加工作电极相对于电解质体积的表面积可提高碳利用效率；Li等人研究了碳与熔融碳酸盐混合的阳极模型，指出微晶尺寸较小的炭黑比高取向热解石墨更具反应活性等。然而，由于DCFC运行过程中现象复杂且局部行为难以预测，其数值建模尚未能有效控制这些现象。

1.2 数学建模

开发DCFC的二维数值单元模型时，做了以下主要假设：
- 流体不可压缩；
- 所有流动为层流，所有过程为等温；
- 材料特性均匀且与温度相关；
- 电解质对气体不可渗透，导电仅由碳酸根离子从阴极向阳极的传输引起。

基于这些假设，DCFC内的流场和物种浓度的控制方程如下：
- 连续性方程：$\text{div}(\rho \vec{V