CN101800326A - 双电解质直接碳燃料电池及其组装方法 - Google Patents

双电解质直接碳燃料电池及其组装方法 Download PDF

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Abstract

一种燃料电池技术领域的双电解质直接碳燃料电池及其组装方法，包括：阳极部分、阴极部分和位于其间的作为双电解质的碳酸盐层和固体氧化物层，所述的阳极区域包括：碳基材层和多孔阳极板，所述的阴极区域为多孔阴极板，固体氧化物层位于多孔阳极板和多孔阴极板之间，碳酸盐层位于固体氧化物层与多孔阳极板之间。本发明实现在同一个DCFC电池中，同时使用固体氧化物层和熔融碳酸盐层作为电解质的装置，增大了阳极反应的面积，同时，阳极碳基材层能够连续供应。

Description

双电解质直接碳燃料电池及其组装方法
技术领域
本发明涉及的是一种燃料电池技术领域的装置及制造方法，具体是一种基于熔融碳酸盐层和固体氧化物层的双电解质直接碳燃料电池及其组装方法。
背景技术
燃料电池是将燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的装置，近年来成为国内外研究热点之一。随着研究的深入，燃料电池的种类也日趋广泛，直接碳燃料电池(Direct Carbon FuelCell，DCFC)以固体碳作为燃料，在高温下与阴极的氧化剂空气作用，构成原电池的发电装置。DCFC主要有以下优点：燃料化学能利用率高、理论热效率可达100％，可以直接以固体碳为燃料(煤、生物质碳以及石油裂解中的积碳等)，便于运输且使用安全。我国石油资源严重短缺，发展高效清洁的DCFC技术对我国的能源和环保具有深远的意义。
经对现有技术的文献检索发现，美国专利号US6692861，记载了一种“Carbon-oxygen fuelcell”(碳-氧燃料电池)，该技术分别采用固体氧化物层和熔融碳酸盐层作为电解质的直接碳燃料电池，以固体氧化物层为电解质的DCFC，阴极采用金属氧化物，阳极是反应物碳，从左至右，按照阴极、电解质和阳极的方式，紧密接触而连接；以熔融碳酸盐层为电解质的DCFC，分别把阴极和阳极插在盛有熔融碳酸盐层的陶瓷容器中，阴极和阳极用一个隔膜隔开。
上述现有技术所涉及的固体氧化物层及熔融碳酸盐层为电解质的DCFC，是在两个不同的电池中使用该两种电解质，存在着这两种电池固有的缺点。如以固体氧化物层为电解质的DCFC，因为是全固态器件，导致阳极的电极反应仅仅在电解质和阳极的接触界面发生，使电极反应的活性面积受到限制，从而很难提高电池的性能。以熔融碳酸盐层为电解质的DCFC，虽然熔融盐能渗透到阳极的内部，但是，在高温下，阳极的连续加料就变得非常困难，难以实现电池的连续运行和发电。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种双电解质直接碳燃料电池及其组装方法，在同一个DCFC电池中，同时使用固体氧化物层和熔融碳酸盐层作为电解质的装置，增大了阳极反应的面积，同时，阳极碳基材层能够连续供应。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种双电解质直接碳燃料电池，包括：阳极部分、阴极部分和位于其间的作为双电解质的碳酸盐层和固体氧化物层，所述的阳极部分包括：碳基材层和多孔阳极板，所述的阴极部分为多孔阴极板，固体氧化物层位于多孔阳极板和多孔阴极板之间，碳酸盐层位于固体氧化物层与多孔阳极板之间。
所述的固体氧化物层是指：ZrO2。
所述的碳酸盐层是指：摩尔比为62～70∶30～38的Li2CO3与K2CO3的混合物。
所述的碳基材层为颗粒状或粉末状的石墨，活性炭，生物质炭化后的材料等。
所述的多孔阳极板与固体氧化物层的平面尺寸相同且大于多孔阴极板的平面尺寸。
所述的多孔阳极板和碳基材层之间设有阳极集电网和与之相连接的输出引线，对应所述的多孔阴极板相对于碳酸盐层的另一侧设有阴极集电网和与之相连的输出引线。
所述的双电解质直接碳燃料电池固定设置于陶瓷管内部。
本发明涉及上述双电解质直接碳燃料电池的组装方法，包括以下步骤：
(1)把阳极支撑的固体氧化物层燃料电池，以阳极在上，阴极在下的方向，从陶瓷管的开口端放入到陶瓷管中，使固体氧化物层电解质朝向阴极的一面且大于阴极的部分，和陶瓷管的底部接触，两者之间再用密封胶粘住，这样，以熔融碳酸盐层和固体氧化物层为双电解质的直接碳燃料电池就构成了两个区域：陶瓷管内的阳极区域，在陶瓷管外的区域。
(2)在陶瓷管中的阳极集电极上，再依次放上碳酸盐层和碳基材层。碳基材层从陶瓷管的开口端依次加入。反应生成的二氧化碳也将从该开口端排出。
所述的以熔融碳酸盐层和固体氧化物层为双电解质的直接碳燃料电池，其工作温度在400-1000℃之间。当在阴极通入氧气或是空气的时候，就会发生如下的电化学反应，并给外电路供电。
阳极：                         阴极：
C+2CO3 2-＝3CO2+4e-  (1)        O2+2e-＝O2-  (3)
CO2+O2-＝CO3 2-      (2)
首先，本装置中的碳酸盐层在400℃以上的温度下，会发生融化，熔融状态的碳酸盐层会以流体的形式，渗入到密实堆积的碳基材层的颗粒之间，同时通过镍网，渗入到SOFC的多孔阳极中，并停留在致密的固体氧化物层电解质之上。因此，熔融碳酸盐层可以覆盖在碳基材层、金属镍网和多孔阳极的区域。
阴极中的氧气发生电化学还原反应(3)，生成氧离子，该氧离子通过固体电解质传输到阳极/固体电解质的界面；与此同时，碳和碳酸盐层发生电化学氧化反应(1)，生成二氧化碳，该二氧化碳和从阴极传输过来的氧离子发生化学反应(2)，生成了碳酸盐层，弥补了反应(1)所消耗的碳酸盐层，保持了碳酸盐层在阳极区域的量的稳定性，多余的二氧化碳以尾气的方式排出。
与现有技术相比，本发明避免了常规熔融盐为单一电解质时，熔融盐对阴极材料构成的腐蚀危害，因为致密的氧化物电解质，阻止了熔融盐向阴极方向的迁移；在阳极室中，加入熔融碳酸盐层，因为其相对较高的离子电导率，以及它可以将碳基材层和固体氧化物层燃料电池中的多孔阳极全部浸润，在阳极反应区域，有效地构建了三相反应的界面，增加电极反应的面积，加速电极反应的同时，减少欧姆损失；本发明解决了碳基材层连续供料的问题，同时，能够保持熔融碳酸盐层在阳极室中量的恒定。
本发明由于熔融碳酸盐层电解质的加入，提高了阳极反应的有效面积，使得电池的发电功率可以从0.1W/cm2提高到0.3W/cm2。
附图说明
图1为实施例结构示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本实施例包括：阳极部分1、阴极部分2和位于其间的作为双电解质的碳酸盐层3和固体氧化物层4，所述的阳极部分包括：碳基材层5和多孔阳极板6，所述的阴极部分为多孔阴极板7，固体氧化物层4位于多孔阳极板6和多孔阴极板7之间，碳酸盐层3位于固体氧化物层4与多孔阳极板6之间。
所述的碳酸盐层3是指：摩尔比为62∶38的Li2CO3与K2CO3的混合物。
所述的固体氧化物层4是指：ZrO2。
所述的碳基材层5为颗粒状石墨。
所述的多孔阳极板6与固体氧化物层4的平面尺寸相同且大于多孔阴极板7的平面尺寸。
所述的多孔阳极板6和碳基材层5之间设有阳极集电网8和与之相连接的输出引线9，对应所述的多孔阴极板7相对于碳酸盐层3的另一侧设有阴极集电网10和与之相连的输出引线9。
本实施例通过以下方式组装得到：用流延法首先制备多孔阳极生片，再用丝网印刷的方法，把致密电解质涂敷在多孔阳极生片上，经过高温烧结后，形成了半电池，在此半电池的致密电解质的另一面，继续涂敷多孔阴极，再次经过高温烧结，得到了阳极支撑的SOFC结构。在多孔阳极的另一面加上阳极集电网8和阳极引线，在多孔阴极的另一面，加上阴极集电网10和阴极引线。在该结构中，至上而下叠放在一起的阳极集电网8、多孔阳极和致密电解质具有相同的平面尺寸，而多孔阴极和阴极集电网10的平面尺寸相同，但都小于多孔阳极和致密电解质。
陶瓷管上端开口，下端开有孔洞。把上述的阳极支撑的SOFC，以阳极在上，阴极在下的方式，从陶瓷管的上端开口处放入到下端孔洞处，致密电解质和多孔阴极构成的边缘部分，和陶瓷管的底边正好吻合，同时，在这两者之间，加上密封胶，这样就形成了在陶瓷管的内部区域和在陶瓷管的外部区域。
在陶瓷管的内部区域中继续从开口端放入碳酸盐层3和碳基材层5，就形成了以熔融碳酸盐层3和固体氧化物层4为双电解质的直接碳燃料电池的阳极区域。而在陶瓷管外部的多孔阴极，就构成了以熔融碳酸盐层3和固体氧化物层4为双电解质的直接碳燃料电池的阴极区域。

Claims (8)

1.一种双电解质直接碳燃料电池，包括：阳极部分、阴极部分，其特征在于，还包括：位于阳极部分和阴极部分之间的作为双电解质的碳酸盐层和固体氧化物层；
所述的阳极部分包括：碳基材层和多孔阳极板；
所述的阴极部分为多孔阴极板；
所述的固体氧化物层位于多孔阳极板和多孔阴极板之间；
所述的碳酸盐层位于固体氧化物层与多孔阳极板之间。
2.根据权利要求1所述的双电解质直接碳燃料电池，其特征是，所述的固体氧化物层是指：ZrO2。
3.根据权利要求1所述的双电解质直接碳燃料电池，其特征是，所述的碳酸盐层是指：摩尔比为62～70∶30～38的Li2CO3与K2CO3的混合物。
4.根据权利要求1所述的双电解质直接碳燃料电池，其特征是，所述的碳基材层为颗粒状或粉末状的石墨、活性炭或生物质炭化后的材料。
5.根据权利要求1所述的双电解质直接碳燃料电池，其特征是，所述的多孔阳极板与固体氧化物层的平面尺寸相同且大于多孔阴极板的平面尺寸。
6.根据权利要求1所述的双电解质直接碳燃料电池，其特征是，所述的多孔阳极板和碳基材层之间设有阳极集电网和与之相连接的输出引线，对应所述的多孔阴极板相对于碳酸盐层的另一侧设有阴极集电网和与之相连的输出引线。
7.根据权利要求1所述的双电解质直接碳燃料电池，其特征是，所述的双电解质直接碳燃料电池固定设置于陶瓷管内部。
8.一种根据权利要求1所述的双电解质直接碳燃料电池的组装方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)把阳极支撑的固体氧化物层燃料电池，以阳极在上，阴极在下的方向，从陶瓷管的开口端放入到陶瓷管中，使固体氧化物层电解质朝向阴极的一面且大于阴极的部分，和陶瓷管的底部接触，两者之间再用密封胶粘住，这样，以熔融碳酸盐层和固体氧化物层为双电解质的直接碳燃料电池就构成了两个区域：陶瓷管内的阳极区域，在陶瓷管外的区域；
(2)在陶瓷管中的阳极集电极上，再依次放上碳酸盐层和碳基材层，碳基材层从陶瓷管的开口端依次加入，反应生成的二氧化碳也将从该开口端排出。
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