CN101090159A - 固体炭阳极熔融碳酸盐燃料电池 - Google Patents

固体炭阳极熔融碳酸盐燃料电池 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种固体炭阳极熔融碳酸盐燃料电池，它是一种以Ni1－xLixO为阴极、Li2CO3+K2CO3为电解质、γLiAlO2为电解质载体隔膜，以固体炭作为阳极制备的熔融碳酸盐燃料电池，其中Li2CO3∶K2CO3摩尔比为56％－68％∶44－32％。本发明采用熔融碳酸盐燃料电池的阴极、电解质、隔膜和金属极板等结构，以固体炭取代氢气、煤气和天然气等做为阳极和燃料，构成熔融碳酸盐燃料电池。以固体炭直接为阳极的熔融碳酸盐燃料电池其电效率高，实际效率可达～80％，无需对煤等固体炭进行重整气化；可有效的避免阴极NiO溶解导致两极短路的问题；炭来源丰富，价格低廉；炭的化学性质稳定，没有爆炸的危险。

Description

固体炭阳极熔融碳酸盐燃料电池
(一)技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种用固体炭做为阳极的燃料电池。
(二)背景技术
燃料电池是一种直接将化学能高效、环境友好地转变为电能的电化学器件，是一种绿色能量转换装置，可同时解决节能和环保两大世界难题。熔融碳酸盐燃料电池是由多孔阴极、多孔陶瓷电解质隔膜、多孔金属阳极、金属极板构成的燃料电池。其电解质是熔融态碳酸盐，反应原理示意如下：
阳  极：2H2+2CO3 2-→2CO2+2H2O+4e-
阴  极：O2+2CO2+4e-→2CO3 2-
总反应：O2+2H2→2H2O
熔融碳酸盐燃料电池是一种高温电池(600～700℃)，具有效率高、噪音低、无污染、余热利用价值高和电池构造材料价廉等诸多优点，是一种绿色电站。
目前，国内外熔融碳酸盐燃料电池的阳极燃料主要为氢气、煤气和天然气等，这些燃料有很大的缺点。氢气存在着爆炸的危险，并且氢气的产量仅仅能满足于合成肥料和石油加氢等化工生产；煤气需由煤气化制备，这一过程存在污染和能耗问题；天然气需经过重整转化为富氢气体(H2+CO)后才能作为燃料使用，内重整在一定程度上增加了电池的结构较复性，降低了其工作稳定性，天然气还是宝贵的化工原料，其储量有限。此外熔融碳酸盐燃料电池在长期的高温运行中，阴极NiO会溶解于熔融碳酸盐中，产生的Ni2+扩散到阳极附近时被溶解的H2还原成金属Ni微粒，逐渐积累并互相连接成Ni桥，导致阴极与阳极间短路，从而限制了使用寿命。可参阅Takao Watanabe，Yoshiyuki Izaki和Yoshihiro Mugikura等，Applicability ofmolten carbonate fuel cells to various fuels.Journal of Power Sources 160(2006)868-871，以及Andrew L.Dicks，Molten carbonate fuel cells.Current Opinion in Solid State and Materials Science8(2004)379-383。
(三)发明内容
本发明的目的是提供一种用固体炭做为阳极的不易爆炸、产量高、储量多，熔融碳酸盐燃料电池不需要重整转化阳极燃料的固体炭阳极熔融碳酸盐燃料电池。
本发明的目的是这样实现的：它是一种以Ni1-xLixO为阴极、Li2CO3+K2CO3为电解质、γLiAlO2为电解质载体隔膜，以固体炭作为阳极制备的熔融碳酸盐燃料电池，其中Li2CO3∶K2CO3摩尔比为56％-68％∶44-32％。
本发明还有这样一些技术特征：
1、所述的附极为由泡沫Ni经原位氧化和锂化后获得的Ni1-xLixO；
2、所述的阳极固体炭是化学组分为碳元素的物质，包括来源于煤、石油、天然气、生物质、石墨、塑料或有机垃圾的固体炭；
3、所述的阳极固体炭为炭棒、炭片、炭颗粒或炭粉末的固体炭。
本发明的实质是以固体炭取代氢气、煤气和天然气等做为阳极，构成熔融碳酸盐燃料电池，电池的工作温度为800℃时，电池的实际能量转化效率可达80％。本发明采用煤等固体炭直接做燃料电池的燃料，没有直接燃烧，不经过热机转换过程，无需对煤等固体炭进行重整气化。将储存在煤等固体炭中的化学能，通过电化学氧化反应，直接转化成电能。
本发明的工作原理是：
阳  极：C+2CO3 2-→3CO2+4e-
阴  极：O2+2CO2+4e-→2CO3 2-
总反应：C+O2→2 CO2
本发明的优点在于以固体炭直接为阳极的熔融碳酸盐燃料电池，其电效率高，实际效率可达80％左右，高于以天然气为燃料的55％；以固体炭为燃料时无需对炭进行重整气化，由于本发明在电池的工作温度为800℃，炭粉等此时已为熔融状态，因此无需对其进行重整气化；可有效的避免阴极Ni1-xLixO溶解导致两极短路的问题，其中Ni1-xLixO可以是NiO等；碳来源丰富，价格低廉，除煤外，还可利用可再生的生物质(秸秆、果壳、谷物皮壳、草等)、甚至有机垃圾中的炭；炭的化学性质稳定，没有爆炸的危险。
(四)具体实施方式
为了更好地说明本发明的效果，下面以具体实施例加以说明。
实施例1：
采用由煤制备的炭粉为阳极，62％Li2CO3+38％K2CO3(摩尔比)为电解质，NiO为阴极(由泡沫Ni经原位氧化和锂化获得)，0.5atm O2/CO2＝1∶2为氧化剂，γ-LiAlO2膜为电解质载体隔膜，制备以固体炭为燃料的熔融碳酸盐燃料电池，在800℃，0.75V电压下，电流密度达80mA/cm2，对应功率密度达60mW/cm2。
实施例2：
采用由松木制备的炭粉为阳极，62％Li2CO3+38％K2CO3(摩尔比)为电解质，NiO为阴极(由泡沫Ni经原位氧化和锂化获得)，0.5atm O2/CO2＝1∶2为氧化剂，γ-LiAlO2膜为电解质载体隔膜，制备以固体炭为燃料的熔融碳酸盐燃料电池，在800℃，0.78V电压下，电流密度达84mA/cm2，对应功率密度达66mW/cm2。
实施例3
采用由玉米秸秆制备的炭粉为阳极，62％Li2CO3+38％K2CO3(摩尔比)为电解质，NiO为阴极(由泡沫Ni经原位氧化和锂化获得)，0.5atm O2/CO2＝1∶2为氧化剂，γ-LiAlO2膜为电解质载体隔膜，制备以固体炭为燃料的熔融碳酸盐燃料电池，在800℃，0.72V电压下，电流密度达77mA/cm2，对应功率密度达56mW/cm2。
实施例4
采用烟道灰为阳极，62％Li2CO3+38％K2CO3(摩尔比)为电解质，NiO为阴极(由泡沫Ni经原位氧化和锂化获得)，0.5atm O2/CO2＝1∶2为氧化剂，γ-LiAlO2膜为电解质载体隔膜，制备以固体炭为燃料的熔融碳酸盐燃料电池，在800℃，0.68V电压下，电流密度达62mA/cm2，对应功率密度达42mW/cm2。
实施例5
采用由石油制备的炭为阳极，62％Li2CO3+38％K2CO3(摩尔比)为电解质，NiO为阴极(由泡沫Ni经原位氧化和锂化获得)，0.5atm O2/CO2＝1∶2为氧化剂，γ-LiAlO2膜为电解质载体隔膜，制备以固体炭为燃料的熔融碳酸盐燃料电池，在800℃，0.76V电压下，电流密度达76mA/cm2，对应功率密度达58mW/cm2。
实施例6
采用由聚乙烯粉制备的炭(高温绝氧去除挥发份)为阳极，62％Li2CO3+38％K2CO3(摩尔比)为电解质，NiO为阴极(由泡沫Ni经原位氧化和锂化获得)，0.5atm O2/CO2＝1∶2为氧化剂，γ-LiAlO2膜为电解质载体隔膜，制备以固体炭为燃料的熔融碳酸盐燃料电池，在800℃，0.77V电压下，电流密度达81mA/cm2，对应功率密度达62mW/cm2。
实施例7
采用石墨粉为阳极，62％Li2CO3+38％K2CO3(摩尔比)为电解质，NiO为阴极(由泡沫Ni经原位氧化和锂化获得)，0.5atm O2/CO2＝1∶2为氧化剂，γ-LiAlO2膜为电解质载体隔膜，制备以固体炭为燃料的熔融碳酸盐燃料电池，在800℃，0.71V电压下，电流密度达57mA/cm2，对应功率密度达40mW/cm2。
实施例8
采用活性炭为阳极，62％Li2CO3+38％K2CO3(摩尔比)为电解质，NiO为阴极(由泡沫Ni经原位氧化和锂化获得)，0.5atm O2/CO2＝1∶2为氧化剂，γ-LiAlO2膜为电解质载体隔膜，制备以固体炭为燃料的熔融碳酸盐燃料电池，在800℃，0.79V电压下，电流密度达92mA/cm2，对应功率密度达73mW/cm2。

Claims (4)

1.一种固体炭阳极熔融碳酸盐燃料电池，它以Ni1-xLixO为阴极、Li2CO3+K2CO3为电解质、γLiAlO2为电解质载体膈膜，其特征在于它是一种以固体炭作为阳极制备的熔融碳酸盐燃料电池，其中Li2CO3∶K2CO3摩尔比为56％-68％∶44-32％。
2.根据权利要求1所述的固体炭阳极熔融碳酸盐燃料电池，其特征在于所述的阴极为由泡沫Ni经原位氧化和锂化后获得的Ni1-xLixO。
3.根据权利要求1所述的固体炭阳极熔融碳酸盐燃料电池，其特征在于所述的阳极固体炭是化学组分为碳元素的物质，包括来源于煤、石油、天然气、生物质、石墨、塑料或有机垃圾的固体炭。
4.根据权利要求1所述的固体炭阳极熔融碳酸盐燃料电池，其特征在于所述的阳极固体炭为炭棒、炭片、炭颗粒火炭粉末的固体炭。
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