CN102088100A - 一种提高固体氧化物直接碳燃料电池性能的方法 - Google Patents

一种提高固体氧化物直接碳燃料电池性能的方法 Download PDF

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李晨
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Abstract

本发明公开了属于清洁能源技术领域的一种提高固体氧化物直接碳燃料电池性能的方法，在固体氧化物直接碳燃料电池基础上，向固体碳燃料中添加金属盐作为催化剂。将添加有金属盐的固体碳作为燃料置于直接碳燃料电池阳极腔体内，同时通入阳极载气保持阳极反应气氛，阴极通入空气或氧气作为氧化剂，电池工作温度范围为600～1000℃。本发明在现有技术基础上进一步提高固体碳燃料的反应活性，降低电池工作温度，改进电池性能。

Description

一种提高固体氧化物直接碳燃料电池性能的方法
技术领域
本发明属于清洁能源技术领域。特别涉及一种提高固体氧化物直接碳燃料电池性能的方法。
背景技术
能源是国民经济的支柱，是人类社会发展所必需的推动力。从工业革命开始，人类动力主要通过热机获得。但是，由于热机受“卡诺极限”的限制，效率提高较为困难，造成能源的浪费，同时排放出大量污染物，严重危害人类生存环境。因此，探索清洁、环保、高效的能源利用方式成为世界能源发展的必然方向。
燃料电池能够将燃料中的化学能直接转化为电能，具有能量转换效率高、洁净无污染、噪声低、模块结构性强等优点，有望成为未来能源供应系统的重要组成部分。其中，固体氧化物直接碳燃料电池(Solid Oxide Direct Carbon Fuel Cell，SO-DCFC)采用固体碳为燃料，将其中的化学能直接转化为电能，其独特优势在于：理论效率更高；固体碳燃料体积小、热值高、来源广泛；避免了液体电解质的腐蚀与泄露；有利于二氧化碳的富集与减排，具有很高的发展潜力。其反应机理如下：
阳极：C+2O2-→CO2+4e-  (1)
C+CO2→2CO             (2)
C+H2O→CO+H2           (3)
O2-+CO→CO2+2e-        (4)
O2-+H2→H2O+2e-        (5)
阴极：O2+4e-→2O2-    (6)
总反应：C+O2→CO2     (7)
由以上反应机理可知，在固体氧化物直接碳燃料电池阳极主要存在碳的直接电化学反应(1)，碳气化反应(2)和(3)，以及气体电化学反应(4)和(5)。目前SO-DCFC阳极反应速率较慢，电流密度低，严重影响了电池整体性能与实际应用。因此，如何加快SO-DCFC阳极反应速率、降低反应温度，以提高电池性能是固体氧化物直接碳燃料电池技术发展的关键。
发明内容
本发明的目的是提出一种提高固体氧化物直接碳燃料电池性能的方法，该方法通过引入催化气化，达到提高碳燃料的反应活性，加快阳极碳气化反应速度，改善电池性能的目的；其特征在于，具体步骤如下：在固体氧化物直接碳燃料电池基础上，按照金属元素与碳燃料质量比1％～30％比例向固体碳燃料中添加金属盐作为催化剂，将添加有金属盐的固体碳作为燃料置于直接碳燃料电池阳极腔体内，同时通入阳极载气保持阳极反应气氛，阴极通入空气或氧气作为氧化剂，直接碳燃料电池工作温度范围为600～1000℃。
所述向固体碳燃料中添加金属盐的方法为粉体物理混合法、溶液浸渍法和离子交换法。
所述的碳燃料是化学组分为碳元素的物质，包括炭黑、石墨、焦炭、秸秆、煤和石油焦中一种或一种以上。
所述阳极载气包括N2、Ar、He、CO2或H2O。
所述金属盐为锂Li、钠Na、钾K、铍Be、镁Mg、钙Ca、锶Sr、钪Sc、钛Ti、钒V、锰Mn、铁Fe、镍Ni、钼Mo和银Ag所对应的碳酸盐、碳酸氢盐、硫酸盐、硝酸盐及其水络合物中一种或为一种以上的混合物。
本发明产生的效果是固体氧化物直接碳燃料电池阳极反应速率与工作温度密切相关，直接决定了电池性能，典型的SO-DCFC工作温度范围为600-1000℃而其中碳燃料气化反应式(2)和(3)的最佳工作温度范围在900℃以上，与燃料电池最佳工作温度范围600-1000℃不匹配。碳燃料气化反应直接影响电池性能的速率控制因素。本发明通过向固体碳燃料中添加金属盐类催化剂，加快了碳燃料气化反应式(2)和(3)的反应速率，进而产生更多CO和H2，加快气体电化学反应式(4)和(5)进行，以提高电池电流密度，在给定工作温度和工作电压下改进了电池性能。
本发明解决了固体氧化物直接碳燃料电池中碳燃料气化反应速率与气体电化学反应速率不匹配的矛盾，能够在现有技术基础上，进一步提高固体碳燃料的反应活性，改进电池性能；同时，本发明在保证SO-DCFC性能基础上，进一步降低了电池工作温度，降低了对电池材料及高温密封的要求。
具体实施方式
本发明提出一种提高固体氧化物直接碳燃料电池性能的方法，该方法通过引入催化气化，达到提高碳燃料的反应活性，加快阳极碳气化反应速度，改善电池性能的目的。下面结合实施例对本发明予以说明。
实施例1
以碱金属盐K2CO3作为催化剂前驱物，以炭黑作为固体碳燃料，采用浸渍法向炭黑中添加K催化剂，催化剂添加量根据K原子与炭黑质量比10％计算。将添加有K2CO3的炭黑作为燃料置于直接碳燃料电池阳极腔体内，以50ml·min-1流量的CO2作为阳极载气，以100ml·min-1流量的O2作为阴极氧化剂，电池工作温度750℃。此时，SO-DCFC在0.7V恒压放电工况下平均功率密度为1477W·m-2，出口阳极载气中CO摩尔分数为19.8％。此时，750℃下炭黑添加K2CO3后的电池性能与950℃下炭黑不添加催化剂时的电池性能相当。
实施例2
以碱土金属盐Ca(NO3)2·4H2O作为催化剂前驱物，以焦炭作为固体碳燃料，采用浸渍法向焦炭中添加Ca催化剂，催化剂添加量根据Ca原子与焦炭质量比10％计算。将添加有Ca(NO3)2的焦炭作为燃料置于直接碳燃料电池阳极腔体内，以50ml·min-1流量的CO2作为阳极载气，以100ml·min-1流量的O2作为阴极氧化剂，电池工作温度750℃。此时，SO-DCFC在0.7V恒压放电工况下平均功率密度为1034W·m-2，出口阳极载气中CO摩尔分数为9.21％。此时，750℃下焦炭添加Ca(NO3)2后的电池性能与880℃下炭黑不添加催化剂时的电池性能相当。
实施例3
以过渡金属盐Ni(NO3)2·6H2O作为催化剂前驱物，以石墨作为固体碳燃料，采用浸渍法向石墨中添加Ni催化剂，催化剂添加量根据Ni原子与石墨质量比10％计算。将添加有Ni(NO3)2的石墨作为燃料置于直接碳燃料电池阳极腔体内，以50ml·min-1流量的CO2作为阳极载气，以100ml·min-1流量的O2作为阴极氧化剂，电池工作温度750℃。此时，SO-DCFC在0.7V恒压放电工况下平均功率密度为1123W·m-2，出口阳极载气中CO摩尔分数为11.4％。此时，750℃下石墨添加Ni(NO3)2后的电池性能与900℃下炭黑不添加催化剂时的电池性能相当。
实施例4
以碱金属盐NaNO3作为催化剂前驱物，以煤作为固体碳燃料，采用浸渍法向煤中添加Na催化剂，催化剂添加量根据Na原子与煤质量比1％-20％。将添加有Ni(NO3)2的煤作为燃料置于直接碳燃料电池阳极腔体内，以50ml·min-1流量的CO2作为阳极载气，以100ml·min-1流量的O2作为阴极氧化剂，电池工作温度750℃。此时，750℃下煤添加Na(NO3)2后的电池性能与900℃下炭黑不添加催化剂时的电池性能相当。
实施例5
以碱土金属盐MgSO4·7H2O作为催化剂前驱物，以炭黑作为固体碳燃料，采用浸渍法向炭黑中添加Mg催化剂，催化剂添加量根据Mg原子与炭黑质量比10％-30％。将添加有MgSO4·7H2O的炭黑作为燃料置于直接碳燃料电池阳极腔体内，以50ml·min-1流量的CO2作为阳极载气，以100ml·min-1流量的O2作为阴极氧化剂，电池工作温度750℃。此时，750℃下炭黑添加MgSO4后的电池性能与900℃下炭黑不添加催化剂时的电池性能相当。
实施例6
以过渡金属盐AgNO3作为催化剂前驱物，以石油焦作为固体碳燃料，采用浸渍法向石油焦中添加Ag催化剂，催化剂添加量根据Ag原子与石油焦质量比5％-20％。将添加有AgNO3的炭黑作为燃料置于直接碳燃料电池阳极腔体内，以50ml·min-1流量的CO2作为阳极载气，以100ml·min-1流量的O2作为阴极氧化剂，电池工作温度750℃。此时，750℃下炭黑添加AgNO3后的电池性能与900℃下炭黑不添加催化剂时的电池性能相当。

Claims (5)

1.一种提高固体氧化物直接碳燃料电池性能的方法，其特征在于，具体步骤如下：在固体氧化物直接碳燃料电池基础上，按照金属元素与碳燃料质量比1％～30％比例向固体碳燃料中添加金属盐作为催化剂，将添加有金属盐的固体碳作为燃料置于直接碳燃料电池阳极腔体内，同时通入阳极载气保持阳极反应气氛，阴极通入空气或氧气作为氧化剂，直接碳燃料电池工作温度范围为600～1000℃。
2.根据权利要求1所述的一种提高固体氧化物直接碳燃料电池性能的方法，其特征在于，所述向固体碳燃料中添加金属盐的方法为粉体物理混合法、溶液浸渍法或离子交换法。
3.根据权利要求1所述的一种提高固体氧化物直接碳燃料电池性能的方法，其特征在于，所述的碳燃料是化学组分为碳元素的物质，包括炭黑、石墨、焦炭、秸秆、煤和石油焦中一种或一种以上。
4.根据权利要求1所述的一种提高固体氧化物直接碳燃料电池性能的方法，其特征在于，所述阳极载气为N2、He、Ar、CO2或H2O。
5.根据权利要求1所述的一种提高固体氧化物直接碳燃料电池性能的方法，其特征在于，所述金属盐为锂Li、钠Na、钾K、铍Be、镁Mg、钙Ca、锶Sr、钪Sc、钛Ti、钒V、锰Mn、铁Fe、镍Ni、钼Mo和银Ag所对应的碳酸盐、碳酸氢盐、硫酸盐、硝酸盐及其水络合物中一种或一种以上的混合物。
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Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102306809A (zh) * 2011-07-12 2012-01-04 清华大学 一种提高直接碳燃料电池性能的导体催化剂及方法
CN102324539A (zh) * 2011-08-01 2012-01-18 清华大学 一种流化床电极直接碳燃料电池装置
CN103972526A (zh) * 2014-05-12 2014-08-06 清华大学 基于液态金属阳极直接碳燃料电池的发电储能一体化装置
CN104538645A (zh) * 2014-12-22 2015-04-22 山西大学 用于固体氧化物燃料电池的活性煤焦粉体的制备方法
CN105742653A (zh) * 2016-04-19 2016-07-06 北京理工大学 一种具有双重电催化功能的直接碳燃料电池阳极
US10355294B2 (en) 2017-03-28 2019-07-16 General Electric Company System and method for solid oxide fuel cells with staged fuel supply

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20080124265A1 (en) * 2006-10-16 2008-05-29 Gur Turgut M Catalytic oxide anodes for high temperature fuel cells
CN101540411A (zh) * 2009-04-15 2009-09-23 中国科学院上海硅酸盐研究所 固体电解质直接碳燃料电池

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20080124265A1 (en) * 2006-10-16 2008-05-29 Gur Turgut M Catalytic oxide anodes for high temperature fuel cells
CN101540411A (zh) * 2009-04-15 2009-09-23 中国科学院上海硅酸盐研究所 固体电解质直接碳燃料电池

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
《Journal of Power Sources》 20100206 Chen Li，et al. Performance improvement of direct carbon fuel cell by introducing catalytic gasification process 4660-4666 , *

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102306809A (zh) * 2011-07-12 2012-01-04 清华大学 一种提高直接碳燃料电池性能的导体催化剂及方法
CN102324539A (zh) * 2011-08-01 2012-01-18 清华大学 一种流化床电极直接碳燃料电池装置
CN103972526A (zh) * 2014-05-12 2014-08-06 清华大学 基于液态金属阳极直接碳燃料电池的发电储能一体化装置
CN103972526B (zh) * 2014-05-12 2016-04-06 清华大学 基于液态金属阳极直接碳燃料电池的发电储能一体化装置
CN104538645A (zh) * 2014-12-22 2015-04-22 山西大学 用于固体氧化物燃料电池的活性煤焦粉体的制备方法
CN104538645B (zh) * 2014-12-22 2016-09-28 山西大学 用于固体氧化物燃料电池的活性煤焦粉体的制备方法
CN105742653A (zh) * 2016-04-19 2016-07-06 北京理工大学 一种具有双重电催化功能的直接碳燃料电池阳极
CN105742653B (zh) * 2016-04-19 2019-02-22 北京理工大学 一种具有双重电催化功能的直接碳燃料电池阳极
US10355294B2 (en) 2017-03-28 2019-07-16 General Electric Company System and method for solid oxide fuel cells with staged fuel supply
US11196063B2 (en) 2017-03-28 2021-12-07 Cummins Enterprise Llc System and method for solid oxide fuel cells with staged fuel supply

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