CN102244284B - 一种新型直接碳燃料电池技术及其装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种直接碳燃料电池技术和装置。本发明主要利用炭黑，活性炭，焦炭为燃料，其它碳源如煤炭，木炭，生物质碳等也可利用，本发明的燃料电池装置采用平板型设计，采用阴极在上，阳极在下的结构，同时应用了多电解质层：以稀土氧化物混合物为阴极，固体氧化物为隔氧的电解质层，碳酸盐为电解质，燃料碳为阳极，整个电池装置搭建在陶瓷坩埚上。电池的工作温度区间较宽，在中温区都可发电。其效果是：(1)本发明开发出了一种新型的直接碳燃料电池结构，填补了国内空白；(2)能量转化率高，理论效率为100%，远高于现有火力发电的能量利用率；(3)与之前的同类专利相比，在600-650℃即可达到较高的70-80mW/cm2功率输出，主工作温度区间有所降低。

Description

一种新型直接碳燃料电池技术及其装置
技术领域：
本发明涉及一种碳燃料电池技术和装置，特别涉及一种新型直接碳燃料电池技术及其装置。
背景技术：
    近年来，由于以石油为代表的化石能源原材料价格的持续增长，各国政府都深刻认识到对化石能源的高度依赖是一种非可持续性战略，这些资源不仅将被开发殆尽，其作为燃料产生的CO2更在不断加剧全球气候的温室效应。为此，许多国家投入大量科研经费，研究新型的可再生能源或者开发更高效利用现有能源资源的方法。就中国的基本国情而言，我国煤炭储量排名世界第三，其作为一次能源主要被利用于火力发电。但由于存在煤炭燃烧这一过程，导致这种能源利用方式不仅效率有限，而且会产生大量温室气体CO2。因此，人们有必要研究煤炭发电的新途径。
直接碳燃料电池是一种电化学能量电池。它以碳为原料，直接将碳的化学能转化为电能;而不是应用传统的工艺:通过碳的燃烧将其化学能转化为热能,再通过汽轮机将热能转化为机械能,进而带动发电机生成电能。因为不经历热能的转化,因此没有卡诺循环对效率上限的约束。理论上,直接碳燃料电池的发电效率能达到100%,这与现有的火力发电30%左右的效率相比,可以说是革命性的提高。另外，由于煤炭是固体，氧化产物是CO2气体，直接碳燃料电池的设计有利于两者的分离和CO2气体的回收，从而达到减排甚至零排放CO2温室气体的效果。
 实际上早在19世纪末,人们就尝试通过直接氧化煤来发电,但在电极材料、电解质污染等方面遇到了难题,并且由于当时火力发电效率的提高而终止了研究。
进入新世纪以来，随着太阳能，生物质能，风能等新型能源和可再生能源研究的流行，燃料电池也重新进入人们的视野。随着研究的深入,燃料电池的种类也日趋广泛,发展出碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、质子交换膜燃料电池(PEMFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)、直接甲醇燃料电池(DMFC)等多种类型。这些燃料电池多以气体和液体为燃料，与直接碳燃料电池利用固体碳为燃料相比，在燃料的储存和输送上都存在较大劣势，因此直接碳燃料电池成为燃料电池研究的热点。
现有的直接碳燃料电池技术都是由电极和电解质作支撑，将燃料碳放在其上或者其中，电池工作温度在500-1000℃，而出于减小内阻消耗的考虑，电极和电解质层的厚度都是越薄越好，这就对电极和电解质的材料强度提出了很高的要求，限制了可选材料的范围，阻碍了这一技术的发展。
发明内容：
本发明的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种新型直接碳燃料电池技术及其装置，将燃料碳装在容器中，在其上方(或者侧面)组装电解质和电极，有效地缓解了该技术对材料强度的要求限制，可大力促进直接碳燃料电池技术的进一步发展。
其技术方案是：以平板型电极、平板型阻氧电解质层和坩埚构建，碳酸盐电解质和燃料碳混合后置于坩埚中组成反应装置，其中，阴极在上(或者内部)，其下是电解质，分为两种，隔氧电解质层与阴极片附着在一起，碳酸盐电解质与燃料碳混合在最下面(或者外部)，燃料碳作为阳极，整个电池体系安装在陶瓷容器内的燃料电池装置。
上述的电解质是多层的,而且是多相的；隔氧电解质层与阴极附着,碳酸盐电解质与阳极材料充分混合。
上述的阴极片采用镧锶锰氧化物(LSM)，镧锶钴铁氧化物(LSCF)，氧化镍(NiO)等一种或几种的混合物制成。
上述的隔氧电解质层是中偏低温区性能良好的氧化钐参杂的氧化铈(SDC)，氧化钪稳定的氧化锆(SSZ)，氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)，氧化钆参杂的氧化铈(GDC)等一种或几种的混合物制成；碳酸盐电解质的组成是碳酸锂、碳酸钾和氧化铝按质量比（1-1.2）:（1-1.5）:1进行均匀混合。
上述的阳极是燃料碳与所述碳酸盐电解质按质量比1:2-2:1进行均匀混合，再与适量淀粉混合。
上述的燃料碳是颗粒或者粉末的炭黑，活性碳，焦炭，精煤等中的一种或几种组成。
一种新型直接碳燃料电池技术，其特征是组装方法包括如下步骤：
(1)材料预处理：先用压制烧结的方法制备阴极片；再将固体氧化物粉末配制成浆状，采用丝网印刷的方法将固体氧化物涂抹在阴极片的一侧，烘干并烧结，形成一层致密的电解质隔氧层；接着将燃料碳与混合好的碳酸盐放入球磨机进行充分混合，得到均匀的混合物；
 (2)电池的组装：将电流收集导线通过导电胶附着在坩埚和阴极片上，自下而上依次放入阳极材料混合物，碳酸盐电解质，附着有隔氧层的阴极片，其中，隔氧层一面与碳酸盐接触，固定后，电池组装完毕，整个电池置于炉中，工作温度为500-900℃。
电池工作时，发生的反应为
阳极：C+2CO3 2-à3CO2+4e-
阴极：O2+4e-à2O2-    2O2-+2CO2à2CO3 2-(在碳酸盐电解质中)
总反应：C+O2àCO2 (Eθ=1.02V,750℃时)
首先氧气在阴极上得电子生成氧离子，通过隔氧层和电解质层的传导在电解质层中与碳酸盐熔融状态下产生的二氧化碳结合成碳酸根离子，再与燃料碳反应生成二氧化碳，并失去电子。产生的二氧化碳可继续结合氧离子使反应继续下去。多余的二氧化碳可从坩埚边缘释放出去。
本发明的有益效果是：(1)本发明开发出了一种新型的直接碳燃料电池结构,填补了国内空白; (2)能量转化率高,理论效率为100%,远高于现有火力发电的能量利用率; (3)与之前的同类专利相比，在600-650℃即可达到较高的70-80mW/cm2功率输出，主工作温度区间有所降低。
附图说明：
图1是本发明的结构示意图；
图2碳酸盐与炭黑按质量比1:1混合时605℃下的燃料电池性能曲线；
图3碳酸盐与炭黑按质量比1:1混合时620℃下的燃料电池性能曲线；
图4碳酸盐与炭黑按质量比1:1混合时640℃下的燃料电池性能曲线；
图5碳酸盐与炭黑按质量比1:1混合时645℃下的燃料电池性能曲线；
图6碳酸盐与炭黑按质量比2:1混合时765℃下的燃料电池性能曲线；
图7碳酸盐与炭黑按质量比2:1混合时770℃下的燃料电池性能曲线；
图8碳酸盐与炭黑按质量比2:1混合时790℃下的燃料电池性能曲线；
图9碳酸盐与炭黑按质量比2:1混合时800℃下的燃料电池性能曲线；
图10碳酸盐与炭黑按质量比2:1混合时的综合燃料电池性能曲线；
上图中：(1)阴极导线；(2)阴极电流收集器；(3)隔氧电解质层；(4)碳酸盐电解质与燃料碳混合物；(5)阳极导线；(6)阴极催化极板；(7)碳酸盐电解质层；(8)陶瓷坩埚；(9)阳极电流收集器。
具体实施方式：
本发明主要利用炭黑，活性炭，焦炭为燃料,其它碳源如煤炭,木炭,生物质碳等也可利用，本发明的燃料电池装置采用平板型设计,采用阴极在上，阳极在下的结构，同时应用了多电解质层：以稀土氧化物混合物为阴极,固体氧化物为隔氧的电解质层,碳酸盐为电解质,燃料碳为阳极，整个电池装置搭建在陶瓷坩埚上。电池的工作温度区间较宽,在中温区都可发电。
下面结合附图1及发明人给出的具体实施例对发明的技术进行进一步阐述，需要说明的是本发明专利要保护的范围不只限于下面给出的具体实施例，而是这一整套的技术和装置结构本身。
由附图1可知，通过中间的固体氧化物构成的隔氧电解质层(3)，将本发明的燃料电池装置分为阴极区的上半部分和阳极区的下半部分。整个燃料电池装置搭建在陶瓷坩埚(7)上。
阴极部分包括阴极催化极板(6)，阴极电流收集器(2)和阴极导线(1)三部分。
阳极部分包括碳酸盐电解质层(7),碳酸盐与燃料碳混合物(4)，阳极电流收集器(9)三部分。
通过压制烧结法将阴极催化材料加工成阴极催化板(6)，其微观结构是多孔的，平面面积为1-3cm2左右，厚度在0.1-0.2mm之间。
用丝网印刷法或者选涂法在阴极催化板的一侧涂上一层事先配好的固体氧化物料浆，然后干燥并烧结成致密的隔氧电解质层(3)。
利用球磨机将碳酸锂，碳酸钾和氧化铝按质量比1-1.2:1-1.5:1球磨均匀混合，得到混合碳酸盐，作为碳酸盐电解质层。
再利用球磨机将上述碳酸和燃料碳(以炭黑为例)按质量比2:1-1:2球磨均匀混合，得到碳酸盐电解质与燃料碳混合物。
通过导电胶或导电浆将阴极导线粘在阴极催化板的另一侧，将阳极导线粘在陶瓷坩埚的内壁上，加热使之固化成电流收集器。
本实施例的燃料电池装置通过以下方式组装：
向粘好导线的陶瓷坩埚中加入碳酸盐与燃料碳的混合物，然后在上面覆盖一层碳酸盐电解质。将粘好导线的阴极片压在碳酸盐电解质层上，使隔氧电解质层与之紧密接触，然后固定。燃料电池装置组装完毕。
将组装好的燃料电池装置放置于马弗炉中，阴极和阳极导线连接好电化学性能表证仪器，即可开始测试燃料电池性能。
附图2-10给出了本发明的直接碳燃料电池装置在不同条件下的性能表征曲线(燃料碳以炭黑为实施例)，需要声明的是本发明所使用的燃料碳不只限于实施例所给出的炭黑，还包括之前权利要求书中所列的其他碳源。

Claims (1)

1.一种新型直接碳燃料电池装置，其特征是：通过中间的固体氧化物构成的隔氧电解质层（3），将燃料电池装置分为阴极区的上半部分和阳极区的下半部分，整个燃料电池装置搭建在陶瓷坩埚（8）上；
阴极部分包括阴极催化极板（6），阴极电流收集器（2）和阴极导线（1）三部分，阳极部分包括碳酸盐电解质层（7），碳酸盐与燃料碳混合物（4），阳极电流收集器（9）三部分；通过压制烧结法将阴极催化材料加工成阴极催化极板（6），其微观结构是多孔的，平面面积为1-3cm2左右，厚度在0.1-0.2mm之间；
用丝网印刷法或者选涂法在阴极催化极板的一侧涂上一层事先配好的固体氧化物料浆，然后干燥并烧结成致密的隔氧电解质层（3）；
利用球磨机将碳酸锂，碳酸钾和氧化铝按质量比1-1.2:1-1.5:1球磨均匀混合，得到混合碳酸盐，作为碳酸盐电解质层（7）；
再利用球磨机将上述混合碳酸盐和燃料碳按质量比2:1—1:2球磨均匀混合，得到碳酸盐电解质与燃料碳混合物（4）；
通过导电胶将阴极导线（1）粘在阴极催化极板（6）的另一侧，将阳极导线（5）粘在陶瓷坩埚（8）的内壁上，加热使之固化成电流收集器。
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