半焦结构对直接碳固体氧化物燃料电池输出性能的影响

宋宗兴，周安宁，刘国阳，王俊哲,2

(1.西安科技大学化学与化工学院，陕西西安 710054；2.陕西煤业新型能源科技股份有限公司，陕西西安 710199)

直接碳固体氧化物燃料电池(DC-SOFC)是将固体碳中的化学能直接转化为电能的发电装置[1-3]，无需经过燃烧和热功转化过程，不受卡诺循环限制，具有较高的能量转化效率[4]，热力学效率可达100%[5-6]，其实际一次电转化效率为50%～60%，与汽轮机联动后电转化效率为70%～80%[7]；并且DC-SOFC 的燃料利用率高，可在电池阳极区产生高浓度的CO2，易于捕集和后续处理[8-9]。同时，DC-SOFC 还具有原料来源广、安全性高等突出优势，为碳资源优化利用提供了有效途径，其方便的发电模式有望成为今后的主流发电方式[10-11]。

DC-SOFC 电池的碳燃料主要有煤及其半焦、焦炭、生物质及其半焦、活性炭等[12]。XIE 等[13]用焦炭作为燃料，在850 ℃时，电池的最大功率密度为149 mW/cm2，当负载Fe 催化剂后，最大功率密度提高至217 mW/cm2，证明外加催化剂对DC-SOFC 性能有较大促进作用。QIU 等[14]利用椰壳炭作为DC-SOFCs 燃料，在负载Fe 催化剂后输出功率密度达到了274 mW/cm2。Cai 等[15]研究发现，利用小麦秸秆炭作为DCSOFC 燃料时，在负载5%Ca 催化剂后，电池的输出功率密度可达到258 mW/cm2。WU 等[16]将海藻炭作为DC-SOFC 的燃料，研究发现海藻炭本身含有大量的Na 和Ca 元素，从而使DC-SOFC 的最大功率密度可达285 mW/cm2。当煤半焦、生物质半焦等作为DC-SOFC 的燃料时，均表现出较高的功率密度，其主要原因可归结于碳燃料中有外加催化剂[17]或者碳燃料本身含有Na、K、Ca、Mg 等催化活性金属离子[18]。催化活性金属离子可有效提高碳燃料的逆Boudouard 反应速率，从而加速阳极反应的进行，提高了DC-SOFC 输出性能[19]。显然，仅从半焦中的矿物质组成及外加催化剂角度考虑，确实对电池输出性能有重要影响，然而燃料本征结构对电池性能的影响也非常关键。LIU 等[20]以活性炭、半焦、石墨、作为DC-SOFC 燃料时，其DC-SOFC 的输出功率的大小顺序为活性炭＞半焦＞石墨，这主要归因于这三种燃料在结构特征上的巨大差异。JIAO 等[21]利用碱活化处理后的工业用煤焦作为DC-SOFC 燃料，研究发现，煤焦活化后的碳微晶体尺寸减小，微孔表面积增大，含氧官能团增加，用活化半焦作为DCSOFC 燃料时，电池的峰值功率密度达到220 mW/cm2，这表明碳燃料表面结构对DC-SOFC 的性能也有着重要影响[22]。

上述研究工作更多关注碳燃料中矿物质和外加催化剂和碳结构对DC-SOFC 输出性能的协同影响，关于碳燃料结构差异对DC-SOFC 输出性能的影响机制研究有待更深入研究。因此，本文选择生物质半焦和低阶煤热解半焦作为研究对象，通过脱灰处理，系统研究半焦组成结构、CO2反应活性和DC-SOFC 输出性能之间的关系，以揭示半焦燃料结构对DCSOFC 输出性能的影响机制，从而为筛选高反应活性的半焦燃料提供具有普适性的方法。

1 材料与方法

1.1 半焦样品及其预处理

本实验用半焦样品由陕西煤业星炭能源有限公司提供，样品为生物质热解半焦和低阶煤中低温热解半焦样，样品经粉碎后，过200 目筛子，然后在850 ℃下，进行补充炭化处理30 min，以消除上述商品半焦在热解温度上的差异。炭化处理后的样品分别命名为椰壳炭(YKC)、苹果木炭(PGMC)和荔枝木炭(LZMC)，新疆淖毛湖煤半焦(NMHC)和神木煤半焦(SMC)。

为了消除灰分对燃料电池性能的影响，将炭化处理样品采用酸洗方法，对其进行脱灰处理。脱灰后的样品编号，统一在上述原样名称后加“-AF”，例如SMC-AF，表示神木煤半焦脱灰样。具体脱灰方法为：首先称量25 g 炭化样品加入烧杯中，随后加入250 mL 浓盐酸(6 mol/L)，置于55 ℃水浴中加热1 h 并不断搅拌，静置1 h 后用去离子水洗涤至滤液pH 为中性。再取滤饼放入塑料量杯中，加入150 mL 浓度为40% 的HF，置于55 ℃水浴中加热并不断搅拌1 h，然后经抽滤后，反复用去离子水洗涤，直至滤液呈中性，最后于105 ℃真空干燥2 h，得到脱灰样品。炭化处理半焦样品及其脱灰样品的工业分析与元素分析结果如表1 所示。

表1 半焦原样与脱灰半焦的工业分析和元素分析 %

1.2 DC-SOFC 单电池组件的制备

在本实验中，DC-SOFC 单电池均采用8%的氧化钇稳定化的氧化锆(YSZ)电解质支撑型的圆片电池，厚度300 μm，直径为16 mm，采用Ag-GDC 作为电池的阳极和阴极材料[23-24]。制备阳极与阴极时，在玛瑙研钵中加入GDC 粉末和银浆，控制GDC 和Ag 的质量比为3∶7，手动研磨1 h，然后加入等质量的PVB 松油醇溶液，继续手动研磨3 h，得到均匀的Ag-GDC 浆料。采用涂刷法将Ag-GDC 涂刷于YSZ 电解质两面，控制阴阳极面积为0.4 cm2。随后置于140 ℃的烘箱中，烘干浆料中的松油醇溶剂。如此重复2 遍，得到一定厚度的电极层。在空气气氛下，马弗炉中880 ℃加热4 h，使Ag-GDC 紧密地覆盖在电解质表面。

1.3 电池组装和测试

在DC-SOFC 阴阳极焊接银丝作为引线，以陶瓷封接剂为密封连接材料，将DC-SOFC 封装在一根长约35 cm，内径14 mm 的刚玉管一端，程序升温使陶瓷封接剂致密，保证电池的密封性。DC-SOFC 组装完毕后在阳极管中装载0.3 g 碳燃料，然后将电池在电加热炉中从室温升温到850 ℃，电池阳极利用N2进行保护。在850 ℃稳定30 min 后，利用线性扫描伏安法测试电池的极化曲线，利用交流阻抗(EIS)测试电池的阻抗曲线。DC-SOFC单电池结构和测试系统示意图如图1所示。

图1 DC-SOFC单电池结构和测试系统示意图

1.4 半焦的结构与反应性表征

通过使用GX 型FT-IR 仪器(Perkin Elmer，美国)在400～4 000 cm－1处，使用标准程序测定半焦的傅里叶变换红外(FT-IR)光谱。使用日本理学Mini Flex 600 型X-射线衍射仪进行半焦的结构分析，光源为X光管铜靶(Cu Kα)，λ 为0.154 06 nm，管压30 kV，管流10 mA，扫描步长0.02°，扫描速率为10 (°)/min，扫描范围2 θ 从5°～90°。采用InVia Reflex 型拉曼光谱仪(英国，激发波长λ=525 nm)在500～3 000 cm-1之间测试半焦的结构特征。采用美国康塔公司生产的QUADRASORB SI 分析仪测定半焦的比表面积，以高纯N2(99.99%)为吸附质，在77 K 下测定试样吸附-脱附等温线，通过Brunauer-Emett-Teller(BET)法计算试样的比表面积，孔径、孔体积按照BJH 法计算，样品在测试前于230 ℃脱气6 h，以充分脱出样品中水分和气体杂质。使用日本电子株式会社JSM-6460-LW 型扫描电子显微镜观察半焦的表面形貌，加速电压为15 kV。采用GB/T 220-2001 方法，利用同步热分析仪(NETZSCH STA 449 F3，德国)，氮气保护升温至850 ℃后通入CO2，测定半焦的CO2反应性。利用电感耦合等离子体原位发射光谱(ICP-OES)分析半焦中的灰组成。

2 结果与讨论

2.1 半焦的结构研究

2.1.1 半焦的化学结构

为探明半焦的化学结构与电池输出性能的关系，采用红外光谱分析方法，研究了脱灰半焦的官能团结构；采用XRD分析方法，研究了脱灰半焦表观芳香度特征；采用Raman 分析脱灰半焦的芳碳缺陷程度(level of carbon defects，简写为LCD)的相对大小。研究结果分别如图2～4 和表2 所示。

图2 脱灰生物质和低阶煤半焦的红外光谱

表2 脱灰半焦燃料的表观芳香度(fa)和芳碳缺陷程度(LCD)

图2 为脱灰半焦样品的红外光谱图。图2 中，3 600～3 300 cm－1处峰为O-H 的特征峰，1 300～1 000 cm－1附近的峰应为C-O的伸缩振动特征峰，1 560～1 760 cm－1处对应C=O 的伸缩振动特征峰。

由上述结果可知，生物质半焦和低阶煤热解半焦均有O-H、C-O 和C=O 等官能团。进一步结合表1 的元素分析结果可知，NMHC-AF 的O/C 是几种半焦燃料中最高的，表明其含氧官能团最丰富，YKC-AF 的O/C 是几种燃料中最低的，表明其含氧官能团较少。不同半焦燃料官能团含量的差异主要归因于这些半焦的原料种类不同，同时其热解工艺条件也有一定差别。一般而言，原料的含氧官能团越高、热解温度越低，则半焦的含氧官能团越高。

图3(a)为脱灰的生物质和脱灰低阶煤半焦的XRD，图3(b)～(f)分别为图3(a)中各半焦样品的(002)和(100)晶面衍射峰的分峰拟合曲线。由图3(a)可知在2 θ为24°附近出现(002)晶面的衍射峰，在43°附近出现(100)晶面的衍射峰。

图3 脱灰半焦的XRD(a)及不同脱灰半焦样品YKC-AF(b)、PGMCAF(c)、LZMC-AF(d)、NMHC-AF(e)和SMC-AF(f)的分峰拟合曲线

由上述结果可知，不同半焦的(002)和(100)晶面衍射峰尖锐程度不同，一般而言，(002)晶面衍射峰越尖锐，碳微晶堆积高度越高，(100)晶面对应的峰越尖锐，表明碳微晶定向生长尺寸越大。

为了进一步计算半焦的表观芳香度，将2 θ 在10°～35°的宽区域和40°附近的小峰进行分峰拟合处理可得到3 个峰，分别为20°附近的γ 峰、26°附近的(002)晶面衍射峰和40°附近的(100)晶面衍射峰。γ 峰面积(Aγ)和002 峰面积(A002)分别代表脂肪族碳原子(Cal)和芳香族碳原子(Car)的数量。因此，表观芳香度fa可由式(1)计算得到[25]。根据图3(b)～(f)分峰结果，通过式(1)计算得不同半焦样品的表观芳香度fa，结果如表2 所示。

由表2 可知，脱灰半焦样品的表观芳香度fa由小到大的顺序为 NMHC-AF＜PGMC-AF＜LZMC-AF＜SMC-AF＜YKCAF。由此可知，新疆淖毛湖煤脱灰半焦NMHC-AF 的fa最低，脱灰椰壳炭YKC-AF 的fa最高，显然脱灰半焦的fa与原料种类有关，同时也与其制备条件有关。一般而言，对同一种原料，其热解温度越高，fa越高。

图4(a)为半焦的拉曼光谱图，图4(b)～(f)分别为不同半焦的拉曼光谱的分峰拟合曲线。一般来说，在拉曼谱图中，D峰与有缺陷结构的碳相关，而G 峰则代表石墨晶体中以sp2杂化的C 原子在平面方向的伸缩振动，即代表规则结构的碳[26]。在一阶谱中可细分为G 峰、D4 峰、D1 峰、D3 峰以及D2峰[27]，其中，G 峰意义在于作为与E2g振动模式对应的有序峰，其反映了碳材料结构(环或链)中sp2杂化碳晶格格位对称伸缩振动的理想石墨晶体峰，D1 峰是与A1g振动模式相对应的无序峰，反映的是sp2杂化碳在环晶格格位的呼吸振动，其强度与晶粒尺寸、杂质和缺陷等密切相关，D2 峰位于G 峰附近，与石墨平面结构内部的紊乱度正相关，内部越紊乱，D2峰强度越高，D3 峰与类似四面体碳等芳香结构的外部缺陷正相关，结构缺陷越多，D3 峰强度越高；D4 峰归因于无序石墨晶格(A1g对称性)或离子杂质。

图4 脱灰半焦的拉曼光谱(a)及不同脱灰半焦样品YKC-AF(b)、PGMC-AF(c)、LZMC-AF(d)、NMHC-AF(e)、SMC-AF(f)的分峰拟合曲线

参考文献[28-29]方法，由于D1、D2、D3 和D4 四个峰面积大小与碳结构缺陷直接相关，G 峰面积与理想石墨晶体结构相关。因此，根据D1、D2、D3 和D4 四个峰面积之和与G峰面积之和的比值可以反映碳材料中芳碳缺陷程度(LCD)的相对大小[28-29]。

式中：AD为D1、D2、D3 和D4 四个峰面积之和；AG为G 峰面积。

根据图4 的实验和分峰拟合曲线，用式(2)计算了半焦的芳碳缺陷程度，结果如表2 所示。

由表2 可知，不同半焦的芳碳缺陷程度大小顺序为NMHC-AF＞PGMC-AF＞LZMC-AF＞SMC-AF＞YKC-AF。比较表2 中fa和LCD可以发现，半焦燃料的fa越大，其LCD越小，这是因为芳香度表达了半焦燃料中芳香结构单元的多少。fa越大，则无序碳、类似四面体碳等非芳香性无序结构单元就越少，因此，其芳碳缺陷程度就越小。

2.1.2 半焦的形貌结构和孔结构研究

半焦的形貌结构和孔结构等物理特征也是影响半焦燃料反应性的重要因素[30]。为此，采用SEM 分析和氮气等温吸脱附分析方法研究了脱灰半焦的形貌结构和孔隙结构，结果分别如图5 和表3 所示。图5(a)～(e)为脱灰半焦的扫描电镜照片，图5(f)为脱灰半焦样品的低温氮气吸脱附曲线。表3 为脱灰半焦样品的比表面积和孔结构分析结果。

图5 脱灰半焦样品的扫描电镜

表3 脱灰半焦样品的比表面积与孔结构参数

综合分析图5 和表3，可以发现，YKC-AF 为层状结构，表面较为疏松，并存在许多孔道结构，比表面积较小。SMC-AF为块状结构，形状不规则表面较为粗糙，比表面积与孔体积相较于YKC-AF 比表面积有所上升。PGMC-AF 和LZMC-AF呈现木质纤维状结构，具有较发达的孔道结构，PGMC-AF 比表面积相较于LZMC-AF 的比表面积有所增加、孔径大小和孔隙体积等参数没有较大差异。NMHC-AF 表面呈现出颗粒状结构，孔道结构较为发达并具有丰富的孔结构，故其比表面积较大，孔隙结构较为发达，能提供较多的反应活性位[31]。从SEM 照片上形貌特征可以观察到，半焦的表面形态特征与其原材料的组织结构有一定关联性，生物质半焦大多呈现木材的组织结构特征，煤基半焦呈现不同种变质程度煤的结构特征。NMHC-AF 比表面积大，YKC-AF 比表面积小，这与前者孔径最小，后者孔径最大的结果相一致。对比分析表3 和表2 的结果，可以进一步发现，半焦的比表面积越大，芳香度越小，碳的缺陷程度越高。

2.2 半焦的CO2反应性研究

在半焦结构研究基础上，为了探明半焦结构与其CO2反应性的关系，以揭示半焦燃料结构对DC-SOFC 输出性能的影响机制，本文进一步采用热重分析方法研究了半焦原样和脱灰半焦的CO2反应性的差异，并采用ICP-OES 分析了半焦的灰组成，以阐明半焦中灰分组成特征对半焦CO2反应性的影响规律，结果如图6 和表4 所示。图6 为热重法测定半焦在850 ℃的CO2还原反应活性曲线。表4 为半焦脱灰前后的反应活性计算结果。

图6 CO2气氛下半焦原样(a)和脱灰半焦(b)的热失重曲线

表4 半焦原样与脱灰样的CO2气化速率

由图6 可知，在热重分析过程中，当温度从室温升高到100 ℃的过程中，约有5% 的失重，这一部分主要是水分的损失，当温度升高到850 ℃，基本上观察不到热失重，当在该温度通入CO2时，有显著质量损失发生，如式(3)。这是炭与CO2反应生成CO 所造成的。基于热重分析结果，可以用式(4)计算半焦气化反应速率r[32]。

式中：wi、wt、wf分别为半焦燃料气化过程的初始质量、t时刻质量和终质量。

由图6 和表4 可知，半焦样品脱灰后，脱灰半焦的反应速率均有不同程度下降，但与灰分下降程度没有直接相关性。例如，NMHC-AF 灰分降低程度达90%以上，但其反应速率下降程度是所有脱灰半焦中最小的。由表1 可知，NMHC 的灰分约6.16%，不是所有半焦中灰分最高的，但其反应速率是最高，而且NMHC-AF 也是脱灰半焦中反应速率最大的。

为了进一步探明灰分组成对半焦的CO2气化速率的影响规律，采用ICP-OES 分析方法对半焦样品的灰分组成进行了分析，结果如表5 所示。一般而言，半焦灰组成中K2O、Na2O、CaO、MgO 和Fe2O3等碱性金属对半焦气化反应一定的催化作用，而SiO2和Al2O3则对半焦气化反应有抑制作用[33]。为此，本文采用式(5)[34-35]计算半焦中灰的碱指数(AI)，以量化灰渣催化作用的高低。

表5 半焦的灰组成分析结果 ug/g

式中：A为半焦样品的灰分含量，各不同氧化物表示灰组成中相应氧化物的含量。

将表5 中的碱指数与表4 中的结果比较可知，YKC 的碱指数最高，但其CO2反应速率并不是最快的，半焦反应性与碱指数之间没有很好的相关性。这一方面是因为半焦中的碱金属是以某种矿物形式存在，催化活性没有被激活，其次也与灰含量有关。高灰分含量会对反应性产生不利影响，当二氧化碳穿透和扩散到炭表面时需要通过一层覆盖在碳燃料表面的灰分，高灰分含量会导致扩散阻力增加[30]。上述这些结果表明，半焦的反应性大小，不仅与半焦中灰分有关，与半焦的结构也有重要关系。脱灰后灰分降低程度与反应速率降低程度之间没有很好的相关性，这也再次说明了反应速率与碳燃料结构之间有重要关系。

脱灰半焦的CO2反应活性是其作为DC-SOFC 燃料的重要特性之一，CO2反应性从大到小依次为NMHC-AF＞PGMCAF＞LZMC-AF＞SMC-AF＞YKC-AF。脱灰半焦的CO2反应活性与表观芳香度(fa)、芳碳缺陷程度(LCD)的关系图如图7 所示。由图7可知，脱灰半焦的反应活性随其表观芳香度的增大呈线性下降趋势，而与芳碳缺陷程度增加呈现线性增加的势趋。

图7 脱灰半焦的CO2反应活性与表观芳香度(fa)、芳碳缺陷程度(LCD)的关系图

在图7 结果基础上，为了很好地预测脱灰半焦燃料的反应活性，进一步将脱灰半焦的表观芳香度(fa)，芳碳缺陷程度(LCD)与CO2反应速率进行了关联分析，以脱灰半焦的CO2反应速率r作为因变量，半焦的表观芳香度(fa)与芳碳缺陷程度(LCD)分别作为自变量进行拟合，假设：

通过MATLAB 拟合，结果如图8 所示。通过最小二乘曲线拟合法求得系数α1、α2和β的值分别为－0.409 1、0.237 5与－0.021 2。由此可得到式(7)：

图8 脱灰半焦燃料CO2反应速率与脱灰半焦燃料结构的拟合图像

拟合相关系数为R2=0.964 77 接近最大值1，因此，式(7)整体能反映半焦中碳结构参数与CO2反应速率的关系。由式(7)可知，半焦的反应活性与芳香度成反比，与芳碳缺陷程度成正比，这与图7 的结果一致。

将上述拟合方程与实验结果进行比较分析可知，该方程式所表达的规律性与实验结果一致。这说明上述碳材料的结构与CO2反应速率关系的研究方法，可为进一步开展半焦CO2反应速率预测模型研究提供了一种有较高价值的研究策略。

2.3 半焦燃料DC-SOFC 输出特性分析

基于上述半焦燃料结构与CO2反应速率相关性研究结果，为探明半焦燃料结构对DC-SOFC 输出性能的影响机制，本文进一步采用SEM 分析研究了DC-SOFC 单电池阳极区三相界面的形貌特征如图9 所示，利用线性扫描伏安法测试了电池的极化曲线，如图10(a)(c)所示，利用交流阻抗(EIS)测试电池的阻抗曲线，如图10(b)(d)所示。半焦原样与脱灰半焦的输出功率密度与碳燃料的CO2反应活性关系如图11 所示。

图10 半焦原样与脱灰半焦燃料DC-SOFC的极化曲线(a)(c)和交流阻抗(b)(d)

图11 半焦燃料DC-SOFC输出功率密度与反应速率关系

由图9(a)和(b)可知，制备的Ag-GDC 电极具有多孔结构，有利于三相界面的反应和电荷的收集。图9(c)是电解质的表面，可以看出电解质相对致密，有利于阳离子的传导。由图10(a)(c)可知，所有半焦燃料的极化曲线展现出相同的特性，在低电流密度下，半焦燃料电池的活化极化损失相近，而在大电流密度下，半焦燃料电池的浓差极化损失波动较大，这说明半焦燃料的特性对电池的浓差极化损失有较大影响。

在交流阻抗谱图中，阻抗高频区与实轴的交点是电池欧姆阻抗，低频区与实轴的交点是电池的总阻抗。电池的总阻抗由欧姆阻抗和极化阻抗两部分组成，电池欧姆阻抗由电池的本征结构决定，不受所使用燃料种类影响[14]。然而，燃料的种类对电池的极化阻抗有重要影响，极化阻抗由活化极化和浓差极化两个部分组成，在相同的测试条件下，同一批次电池的活化极化是相同的。因此，不同碳燃料产生不同的浓差极化是造成极化阻抗不同的原因[14,36]。由图10(b)(d)所示的原样与脱灰半焦燃料的电池对应的交流阻抗谱图可知：不同半焦燃料的极化阻抗不同，脱灰半焦极化阻抗大小顺序为NMHC-AF＜PGMC-AF＜LZMC-AF＜SMC-AF＜YKC-AF 与半焦原样极化阻抗大小顺序相同。半焦燃料经逆Boudouard 反应产生CO 的速率不同造成了浓差极化的差异。YKC-AF 作为燃料时，电池的浓差极化较大，是因为其反应性活性低，产生CO 的速率小，从而导致其拥有较大的极化阻抗，最终导致电池的输出性能较低。

由图11 可知，半焦燃料电池的输出功率密度与半焦的CO2气化反应性呈正相关。在所有半焦燃料中，NMHC 和NMHC-AF 作为DC-SOFC 的燃料时，电池的输出峰值功率(Pmax)在同系列半焦中达到最大，分别达到20.91 和13.2 mW/cm2，脱灰半焦燃料电池的输出功率也远低于原半焦。该结果与脱灰处理前后，半焦的反应活性相一致。

碳燃料的逆Boudouard 反应中CO 的产生速率高低取决于碳燃料的CO2气化反应性。因此，碳燃料逆Boudouard 反应中CO 的产生速率高低是造成浓差极化差异的根本原因[8]。比较原样与脱灰半焦燃料的交流阻抗谱图可以看出，脱灰半焦燃料的总阻抗均相较于原样有所增加，不同脱灰半焦的总阻抗随其碳缺陷程度的增加而下降。这是由于脱灰或碳缺陷程度减小，均会降低半焦的CO2气化反应速率，从而使CO浓度降低，导致浓差极化增大，电池的输出性能降低。

与文献[14]相比，本研究工作中，半焦作为燃料时电池输出功率密度较低。其主要原因之一是电解质的材料有较大差异，例如文献[14]中，作者所用的电解质片为1%Al2O3掺杂改性的YSZ，本文的电解质为未改性的基础上的YSZ，二是碳燃料结构与催化剂方面有较大差异，文献[14]中碳燃料处理方法和种类与本文不同导致碳燃料结构不同，该文献中碳燃料本身富含碱金属又负载了铁催化剂。本文为消除半焦中催化活性金属元素的影响对半焦进行了脱灰处理。

综上，半焦燃料结构对DC-SOFC 影响机制表现为：半焦燃料碳结构缺陷程度决定了半焦燃料的CO2反应速率。半焦的CO2反应速率越高，半焦燃料浓差极化越小，相应的浓差极化电阻就越小，电池输出功率密度就越高。此外，影响半焦燃料CO2反应速率因素还有半焦的灰分含量高低、灰分中活性金属离子的含量，以及负载催化剂的活性等因素。

3 结论

本文通过组装Ag-GDC/YSZ/GDC-Ag 对称电池，开展了半焦结构对DC-SOFC 性能的影响规律研究。主要结论如下：

(1)分析了生物质半焦和低变质煤半焦的结构特征，发现新疆淖毛湖煤半焦的芳香度较低、芳碳缺陷程度最大。

(2)研究了半焦的CO2反应活性与灰的碱指数、碳结构的关系，发现碱指数与半焦的反应活性没有线性关系，而半焦的芳香度越小，碳缺陷程度越高，则其反应活性越高。为此，基于半焦的结构参数芳香度和半焦的缺陷程度，通过数据拟合建立了半焦CO2反应活性与其结构参数(fa，LCD)之间的数学关系式(7)。

(3)半焦燃料的组成和结构是影响DC-SOFC 峰值输出功率大小的关键因素之一，其影响机制表现为：半焦燃料DCSOFC 输出性能主要取决于浓差极化大小，浓差极化大小则与半焦CO2反应速率负相关，半焦的芳香度、芳碳缺陷程度和催化活性元素特征直接影响半焦的反应活性。因此，开展半焦碳结构缺陷形成机理及调控方法，以及高效催化剂开发是未来DC-SOFC 半焦燃料开发研究重要方向。