CN101237047B - 一种提高直接炭燃料电池炭活性的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种提高直接炭燃料电池炭活性的方法。按照酸与炭的比例为2∶1将二者混合，酸的浓度为1～5M，浸泡时间1小时。本发明的优点在于采用酸处理MCDCFC的阳极炭，酸处理首先能清除(至少部分地)活性炭的杂质，减少炭中的灰分，进而增大炭的比表面积和总的孔体积；第二可以使炭的表面暴露出更多的不饱和碳原子、缺陷、位错和断层，这些位置有很多的未成对电子，有很强的吸附作用；第三酸处理可能分解炭表面的碱性和中性基团，产生更多的酸性基团，而酸性基团将有利于吸引溶液中的阴离子，可以降低炭的疏水性。因而能显著提高以炭粉为燃料的MCDCFC的性能。
Description
(一)技术领域
本发明涉及的是一种电池的制作方法，具体地说是一种提高电池的性能的方法。
(二)背景技术
燃料电池是一种通过电化学反应直接将燃料中的化学能高效、环境友好地转变为电能的绿色能量转换装置，可同时解决节能和环保两大世界难题。以固体炭直接为燃料的(MCDCFC)的理论能量转化效率可达100％，其废气排放量只有传统燃煤发电的十分之一，且固体炭燃料来源丰富、价格低廉，因此MCDCFC比以天然气等为燃料的熔融碳酸盐燃料电池和传统的燃煤发电具有更大的节能、环保和经济优势。以固体炭直接作为燃料的熔融碳酸盐型燃料电池的反应原理示意如下：
阳极：C+2CO3 2-→3CO2+4e- (1)
阴极：O2+2CO2+4e-→2CO3 2- (2)
总反应：C+O2→2CO2 (3)
MCDCFC的性能与作为燃料的固体炭的电化学氧化活性密切相关。目前，提高MCDCFC的固体炭阳极活性的方式主要有升高温度和减小炭粒径等方式，升高温度来提高炭阳极活性不仅浪费能源，而且增高了材料的耐腐蚀和耐高温性能；依靠减小炭粒径来提高炭阳极活性是有限度的，也就是说炭粒径不能无限地减小下去。造成炭电化学活性低的主要原因是由于炭是非亲水性的，对于极性的溶剂亲和力低，又由于炭的表面总会存有Na，K，Si，Al，Zn，P，N，Fe，Ca和其它一些元素，所以CO3 2-难以同炭表面进行有效地接触，不利于(1)式的反应，导致炭的电化学活性较小。这种技术方案在下述文献中已有公开报道：Cao D X，Sun Y，Wang G L.Direct carbon fuel cell：Fundamentals and recent developments.Journal ofPower Sources，2007，167：250-257，以及Zecevic S，Patton E M，Parhami P.Carbon-air fuel cell without a reforming process.Carbon，2004，42：1983-193。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种可以克服现有炭阳极灰分大，亲水性小和比表面低等缺点，解决MCDCFC炭阳极放电电流小的问题的一种提高直接炭燃料电池炭活性的方法。
本发明的目的是这样实现的：按照酸与炭的体积比例为1～5∶1将二者混合，酸的浓度为1～5M，浸泡时间1～24小时。
本发明还可以包括：
所述的酸是HCl、HF、HNO3、HClO4、H2SO4中的一种或它们的任选混合物。
本发明提出了一种用酸处理提高MCDCFC炭阳极性能的方法，酸处理克服了现有炭阳极灰分大，亲水性小和比表面低等缺点，解决了MCDCFC炭阳极放电电流小的问题。其特征在于炭阳极在使用前用酸进行处理，从而增大了炭阳极的反应活性。本发明的实质是在MCDCFC的基础上，通过预先对炭进行酸处理，加大了炭电化学性能，提高了炭阳极的放电性能。
本发明的优点在于采用酸处理MCDCFC的阳极炭，酸处理首先能清除(至少部分地)活性炭的杂质，减少炭中的灰分，进而增大炭的比表面积和总的孔体积；第二可以使炭的表面暴露出更多的不饱和碳原子、缺陷、位错和断层，这些位置有很多的未成对电子，有很强的吸附作用；第三酸处理可能分解炭表面的碱性和中性基团，产生更多的酸性基团，而酸性基团将有利于吸引溶液中的阴离子，可以降低炭的疏水性。因而能显著提高以炭粉为燃料的MCDCFC的性能。
(四)具体实施方式
下面举例对本发明做更详细地描述：
实施例1
采用HCl处理炭阳极，酸与炭的比例为2∶1，酸的浓度为2M，浸泡时间1h。以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MCDCFC，在700℃，0.75V电压下，电流密度达120mA/cm2，对应功率密度达90mW/cm2。
实施例2
采用HF处理炭阳极，酸与炭的比例为2∶1，酸的浓度为2M，浸泡时间1h。以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MCDCFC，在700℃，0.8V电压下，电流密度达130mA/cm2，对应功率密度达104mW/cm2。
实施例3
采用HNO3处理炭阳极，酸与炭的比例为2∶1，酸的浓度为2M，浸泡时间1h。以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MCDCFC，在700℃，0.8V电压下，电流密度达140mA/cm2，对应功率密度达112mW/cm2。
实施例4
采用HClO4处理炭阳极，酸与炭的比例为2∶1，酸的浓度为2M，浸泡时间1h。以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MCDCFC，在700℃，0.8V电压下，电流密度达145mA/cm2，对应功率密度达116mW/cm2。
实施例5
采用H2SO4处理炭阳极，酸与炭的比例为2∶1，酸的浓度为2M，浸泡时间1h。以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MCDCFC，在700℃，0.8V电压下，电流密度达135mA/cm2，对应功率密度达108mW/cm2。
实施例6
采用HCl和HNO3处理炭阳极，HCl∶HNO3为1∶3，，酸与炭的比例为2∶1，酸的浓度为2M，浸泡时间1h。以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MCDCFC，在700℃，0.8V电压下，电流密度达160mA/cm2，对应功率密度达128mW/cm2。
实施例7
采用HCl和H2SO4处理炭阳极，HCl∶H2SO4为1∶1，酸与炭的比例为2∶1，酸的浓度为2M，浸泡时间1h。以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MCDCFC，在700℃，0.8V电压下，电流密度达134mA/cm2，对应功率密度达107mW/cm2。
实施例8
采用HNO3和H2SO4处理炭阳极，HNO3∶H2SO4为1∶1，，酸与炭的比例为2∶1，酸的浓度为2M，浸泡时间1h。以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MCDCFC，在700℃，0.8V电压下，电流密度达141mA/cm2，对应功率密度达113mW/cm2。
Claims (1)
1.一种提高直接炭燃料电池炭活性的方法，其特征是：采用HCl和HNO3处理炭阳极，HCl∶HNO3为1∶3，酸与炭的比例为2∶1，酸的浓度为2M，浸泡时间1小时。
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