CN102610842A - 中高温碳-空气电池 - Google Patents
中高温碳-空气电池 Download PDFInfo
- Publication number
- CN102610842A CN102610842A CN2012100854046A CN201210085404A CN102610842A CN 102610842 A CN102610842 A CN 102610842A CN 2012100854046 A CN2012100854046 A CN 2012100854046A CN 201210085404 A CN201210085404 A CN 201210085404A CN 102610842 A CN102610842 A CN 102610842A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- carbon
- solid oxide
- air cell
- oxide fuel
- anode
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 239000000446 fuel Substances 0.000 claims abstract description 72
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims abstract description 43
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 41
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 38
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 12
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 10
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims abstract description 10
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims abstract description 8
- 238000003487 electrochemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 4
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 claims description 23
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 claims description 23
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 17
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims description 16
- BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-L Carbonate Chemical compound [O-]C([O-])=O BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims description 8
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 8
- 239000010416 ion conductor Substances 0.000 claims description 7
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N Zirconium dioxide Chemical compound O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 6
- 239000003245 coal Substances 0.000 claims description 5
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims description 5
- 229910002204 La0.8Sr0.2MnO3 Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000003610 charcoal Substances 0.000 claims description 4
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 4
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910000420 cerium oxide Inorganic materials 0.000 claims description 3
- LNTHITQWFMADLM-UHFFFAOYSA-N gallic acid Chemical compound OC(=O)C1=CC(O)=C(O)C(O)=C1 LNTHITQWFMADLM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052746 lanthanum Inorganic materials 0.000 claims description 3
- FZLIPJUXYLNCLC-UHFFFAOYSA-N lanthanum atom Chemical compound [La] FZLIPJUXYLNCLC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- BMMGVYCKOGBVEV-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoceriooxy)cerium Chemical compound [Ce]=O.O=[Ce]=O BMMGVYCKOGBVEV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 238000007789 sealing Methods 0.000 claims description 3
- 235000017166 Bambusa arundinacea Nutrition 0.000 claims description 2
- 235000017491 Bambusa tulda Nutrition 0.000 claims description 2
- 241001330002 Bambuseae Species 0.000 claims description 2
- 229910002127 La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3 Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 235000015334 Phyllostachys viridis Nutrition 0.000 claims description 2
- 229910002806 Sm0.2Ce0.8O1.9 Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910003481 amorphous carbon Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000011425 bamboo Substances 0.000 claims description 2
- 239000000571 coke Substances 0.000 claims description 2
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000010439 graphite Substances 0.000 claims description 2
- 229910010272 inorganic material Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000011147 inorganic material Substances 0.000 claims description 2
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 claims description 2
- 239000012528 membrane Substances 0.000 abstract description 8
- 238000010248 power generation Methods 0.000 abstract description 2
- 238000000926 separation method Methods 0.000 abstract 2
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 abstract 1
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 63
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 14
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 12
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 9
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 9
- 238000000034 method Methods 0.000 description 8
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 7
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 5
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 description 5
- 238000005266 casting Methods 0.000 description 4
- 238000007598 dipping method Methods 0.000 description 4
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 4
- 238000000462 isostatic pressing Methods 0.000 description 3
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 description 2
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000000498 ball milling Methods 0.000 description 2
- 229910000416 bismuth oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910002091 carbon monoxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 2
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 2
- TYIXMATWDRGMPF-UHFFFAOYSA-N dibismuth;oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[Bi+3].[Bi+3] TYIXMATWDRGMPF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000006056 electrooxidation reaction Methods 0.000 description 2
- 239000003292 glue Substances 0.000 description 2
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 description 2
- -1 hydrocarbon oxygen compound Chemical class 0.000 description 2
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 2
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 description 2
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- SIWVEOZUMHYXCS-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoyttriooxy)yttrium Chemical compound O=[Y]O[Y]=O SIWVEOZUMHYXCS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000565 sealant Substances 0.000 description 2
- 239000002002 slurry Substances 0.000 description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 2
- 239000002028 Biomass Substances 0.000 description 1
- HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N Lithium ion Chemical compound [Li+] HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N Magnesium Chemical compound [Mg] FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 235000010489 acacia gum Nutrition 0.000 description 1
- 239000001785 acacia senegal l. willd gum Substances 0.000 description 1
- 229910021529 ammonia Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 1
- 150000001722 carbon compounds Chemical class 0.000 description 1
- 125000005587 carbonate group Chemical group 0.000 description 1
- 238000005056 compaction Methods 0.000 description 1
- 238000001218 confocal laser scanning microscopy Methods 0.000 description 1
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 1
- 239000002283 diesel fuel Substances 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 238000005538 encapsulation Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 229910001938 gadolinium oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 229940075613 gadolinium oxide Drugs 0.000 description 1
- CMIHHWBVHJVIGI-UHFFFAOYSA-N gadolinium(iii) oxide Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[Gd+3].[Gd+3] CMIHHWBVHJVIGI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000003502 gasoline Substances 0.000 description 1
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 1
- 229910001416 lithium ion Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 description 1
- 239000000320 mechanical mixture Substances 0.000 description 1
- 238000000465 moulding Methods 0.000 description 1
- 231100000252 nontoxic Toxicity 0.000 description 1
- 230000003000 nontoxic effect Effects 0.000 description 1
- 239000010815 organic waste Substances 0.000 description 1
- 239000002006 petroleum coke Substances 0.000 description 1
- 239000003870 refractory metal Substances 0.000 description 1
- 230000008929 regeneration Effects 0.000 description 1
- 238000011069 regeneration method Methods 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- 229910052712 strontium Inorganic materials 0.000 description 1
- CIOAGBVUUVVLOB-UHFFFAOYSA-N strontium atom Chemical compound [Sr] CIOAGBVUUVVLOB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- PICXIOQBANWBIZ-UHFFFAOYSA-N zinc;1-oxidopyridine-2-thione Chemical class [Zn+2].[O-]N1C=CC=CC1=S.[O-]N1C=CC=CC1=S PICXIOQBANWBIZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
- H01M8/1233—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte with one of the reactants being liquid, solid or liquid-charged
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
- H01M4/90—Selection of catalytic material
- H01M4/9016—Oxides, hydroxides or oxygenated metallic salts
- H01M4/9025—Oxides specially used in fuel cell operating at high temperature, e.g. SOFC
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/002—Shape, form of a fuel cell
- H01M8/004—Cylindrical, tubular or wound
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/1009—Fuel cells with solid electrolytes with one of the reactants being liquid, solid or liquid-charged
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
- H01M8/124—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the process of manufacturing or by the material of the electrolyte
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
- H01M2008/1293—Fuel cells with solid oxide electrolytes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M2300/00—Electrolytes
- H01M2300/0017—Non-aqueous electrolytes
- H01M2300/0065—Solid electrolytes
- H01M2300/0068—Solid electrolytes inorganic
- H01M2300/0071—Oxides
- H01M2300/0074—Ion conductive at high temperature
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M2300/00—Electrolytes
- H01M2300/0017—Non-aqueous electrolytes
- H01M2300/0065—Solid electrolytes
- H01M2300/0068—Solid electrolytes inorganic
- H01M2300/0071—Oxides
- H01M2300/0074—Ion conductive at high temperature
- H01M2300/0077—Ion conductive at high temperature based on zirconium oxide
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Inert Electrodes (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
本发明涉及一种中高温碳-空气电池，由固体氧化物燃料电池、CO2分离膜与碳燃料组成；固体氧化物燃料电池是一端封闭的管式固体氧化物燃料电池，碳燃料放置在管式固体氧化物燃料电池内部，CO2分离膜密封在固体氧化物燃料电池的开口端；碳-空气电池以碳为燃料，空气中的氧气为氧化气发生电化学反应。本发明的碳-空气电池具有新颖的结构设计，不需要外部通入气体即可以实现固体氧化物燃料电池发电，同时固体氧化物燃料电池内部产生的CO2气体可以随时通过CO2分离膜排出系统，本发明中的碳-空气电池具有极高的能量密度，具有较高的应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及固体氧化物燃料电池领域，尤其涉及一种基于固体氧化物燃料电池与CO2分离膜的中高温(操作温度为500～900℃)碳-空气电池，是以碳作为燃料的储能电池。
背景技术
燃料电池做为一种电化学能量转化装置，其可源源不断地将燃料转化为电能，具有比常规的火力发电更高的能量转化效率及比普通储能电池更高的能量密度而受到人们的广泛关注。在众多的燃料电池中，固体氧化物燃料电池(SOFCs)作为一种高温燃料电池，具有燃料多样性的突出优点，除了氢气外，碳氢化合物、碳氢氧化合物、氨气、CO甚至固体碳都可以作为SOFCs的燃料。固体碳做为燃料电池的燃料，与其它燃料相比具有众多优点：(1)能量密度高，碳的燃烧所释放的热量为20.0kWh L-1，远远超出其他许多广泛使用的燃料如氢气(2.4kWhL-1)，甲烷(4.0kWh L-1)汽油(9.0kWh L-1)和柴油(9.8kWh L-1)；(2)来源非常丰富，可以通过煤、石油焦炭、生物质甚至有机垃圾废弃物的裂解而得到，特别煤是地球上储量最为丰富的化石能源，占所有化石能源的近60％；(3)安全无毒，在储存、运输及制备方面与氢气相比具有非常突出的优势；(4)碳作为燃料与氢相比，电池不存在氢脆的现象，因而可方便采用银作为密封剂，适合长时间的操作。
以碳为内置燃料来构建碳-空气电池，理论容量可高达8935mAh g-1，是目前碳作为锂电池电极的理论容量(365mAh g-1的近25倍，比单质硅在锂电中的容量也高出一倍多，而且碳-空气电池的充电过程(再生)可以简单方便地通过添加碳燃料的方式得以实现。由于电池的阴极为空气电极，电池的容量几乎不受阴极的限制，因而电池的理论容量可达碳容量的40-60％，是目前锂离子电池容量的几十倍，另外碳是一种非常稳定的燃料，可见碳-空气电池有望在实现高容量高安全性的储能电池领域取得重要突破，然而目前关于以储能为目的的碳-空气电池的报道非常少，这源于碳的电化学氧化非常困难，采用常规的低温电化学过程难以实现碳的电化学氧化。另外，与常规燃料电池相比，储能电池是一封闭系 统，直接碳燃料电池会产生气态CO2，因而需要额外的CO2分离系统，使得电池的复杂度大大提高，降低了电池的体积和重量能量密度。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的直接碳燃料电池功率密度低，需要外部通入气体、结构相对复杂等问题，开发了一种基于管式固体氧化物燃料电池与CO2分离膜的使用固体碳作为燃料的中高温碳-空气电池。
本发明的具体技术方案如下：一种中高温碳-空气电池，由固体氧化物燃料电池2、CO2分离膜1与碳燃料3组成；固体氧化物燃料电池是一端封闭的管式固体氧化物燃料电池，碳燃料3放置在管式固体氧化物燃料电池2内部，CO2分离膜1密封在固体氧化物燃料电池2的开口端；碳-空气电池以碳为燃料，空气中的氧气为氧化气发生电化学反应。在工作温度下，碳燃料与CO2反应生成CO，CO作为燃料供应到阳极，与阴极转移过来的O2反应，生成CO2，生成的CO2一部分与碳反应，一部分通过CO2分离膜转移出去。
优选固体氧化物燃料电池2的构型是阳极支撑型、电解质支撑型或者阴极支撑型中的一种；固体氧化物燃料电池2由阳极2-1、电解质2-2和阴极2-3三层组成，阳极2-1在电池管内部，阴极2-3在电池管外部，电解质2-2层在阳极2-1与阴极2-3之间。
优选固体氧化物燃料电池的电解质2-2为稳定氧化锆材料(如氧化钇稳定的氧化锆，YSZ)、掺杂氧化铈材料(如氧化钆掺杂的氧化铈，GDC)、掺杂的镓酸镧(如锶和镁掺杂的镓酸镧，LSGM)、掺杂的氧化铋(氧化钇掺杂的氧化铋，YSB)中的一种或者两者及两者以上的结合；结合方式可以是混合也可以是多层叠加。
优选固体氧化物燃料电池阳极2-1为电解质2-2与Ni、Pt、Ag、Ru、Fe、Cu金属单质中的一种或者多种的混合物，其中金属单质占混合物的总质量的10-90％；或者是钙钛矿材料如LSSM、LSCM。
优选固体氧化物燃料电池阴极2-3为La0.8Sr0.2MnO3、La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3、Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O、La2NiO4、PrBaCoO5、Pt、Ag-Sm0.2Ce0.8O1.9或Ag-La0.8Sr0.2MnO3中的一种与电解质2-2的混合物，其中电解质材料占混合物的总质量的0-90％。
本发明所述的中高温碳-空气电池的操作温度为500～900℃。
优选CO2分离膜1为无机物材料，优选为碳酸盐与高温氧离子导体的混合物压制而成；其中碳酸盐占混合物总质量的20-80％；优选所述的碳酸盐为Li2CO3、NaCO3或K2CO3中的一种或者多种；所述的高温氧离子导体为SDC、GDC或YSZ中的一种或者多种。
本发明所述的碳燃料优选碳的单质或者是含碳化合物或混合物，更优选为木炭、竹炭、活性炭、焦炭、无定形碳、粉末状煤或石墨中的任意一种或者几种组成。
本发明所述的中高温碳-空气电池由以下步骤制得：
(1)固体氧化物燃料电池制备
一种一端密封的管式的固体氧化物燃料电池，其制备方法采用传统陶瓷制备方法-浇铸法制备固体氧化物燃料电池支撑管，支撑管可以是阳极或阴极材料，也可以是电解质材料。在适当的烧结过程后，再通过喷涂或者浸渍方法制备剩下的电解质或电极层，最终得到阳极|电解质|阴极结构，阳极层在管的内部，阴极层在管的外部。
(2)CO2分离膜制备
本发明的CO2分离膜采用采用氧离子导体和熔融碳酸盐复合物混合制备，选择合适的氧离子导体与碳酸盐材料，通过机械混合后，干压或者等静压成型，制备出尺寸与管式固体氧化物燃料电池相适应的CO2分离膜。通过调节材料中氧离子导体和熔融碳酸盐的比例，CO2分离膜的CO2渗透能力可以得到控制，碳酸盐的质量分数为20-80％。
(3)碳-空气电池组装
按照图1的方式，将碳燃料灌入到固体氧化物燃料电池管内部，然后在将CO2分离膜密封在固体氧化物燃料电池管的开口端(密封剂选择耐高温金属胶或者陶瓷胶)，即可以组成碳-空气电池，其中固体氧化物燃料电池阴极引出线为电池正极(B)，固体氧化物燃料电池阳极引出线为电池负极(A)。
(4)碳-空气电池运行
本发明的单电池运行时，直接将碳-空气电池加热至工作温度，阴极给予空气或直接暴露在空气中，即可发生电化学反应，产生电能，作为电源使用。
有益效果：
本发明的碳-空气电池具有新颖的结构设计，不需要外部通入气体即可以实现固体氧化物燃料电池发电，同时固体氧化物燃料电池内部产生的CO2气体可 以随时通过CO2分离膜排出系统，由于碳具有较高的能量密度，而阴极使用空气，所以本发明中的碳-空气电池具有极高的能量密度，具有较高的应用价值。
附图说明
图1本发明中碳-空气电池的示意图，其中1为CO2分离膜，2为固体氧化物燃料电池，3为碳燃料，A为负极(阳极)，B为正极(阴极)；
图2为本发明中CO2分离膜的示意图，其中C为电池外部，D为电池内部；
图3为本发明中固体氧化物燃料电池结构的示意图，其中2-1为阳极，2-2为电解质，2-3为阴极；
图4为本发明实施例1中的单电池测试后的截面形貌；
图5为本发明实施例4中单电池测试中的性能图。
具体实施方式
本发明所涉及的方法包含但并不局限于以下实施例中的材料。
实施例1：通过浇铸法制备NiO-YSZ阳极支撑管，支撑管经过干燥后1100℃烧结。在阳极支撑体表面通过喷涂方法制备一层YSZ电解质薄膜，电解质薄膜在1400℃烧结后得到半电池。半电池在氢气环境下高温还原(750℃)2小时，得到阳极还原后的半电池，还原后阳极支撑管中YSZ的质量分数为50％，然后在半电池表面喷涂制备一层LSM阴极后在惰性气氛下1100℃烧结5小时，得到阳极支撑的管式固体氧化物燃料电池。如图1所示，将活性炭填放在固体氧化物燃料电池管内部，并自然堆积至距离管口约1cm。在固体氧化物燃料电池阴极表面涂上银胶作为集流器，阴极与阳极各引出导线作为正负极。
将YSZ与K2CO3按照质量比2∶1(质量比)混合后等静压制备成与管式固体氧化物燃料电池截面相同大小的片作为CO2分离膜，并通过银胶密封在管式固体氧化物燃料电池开口端，得到碳-空气电池，封装之后的碳-空气电池的示意图见图1。固体氧化物燃料电池截面的微观形貌见图4，从图上可以看出，电解质层比较致密，阳极和阴极层比较多孔。
碳-空气电池在800℃下工作，其开路电压为0.86V，功率密度可达150mWcm-2，电池容量达到4200mAh g-1。
实施例2：通过浇铸法制备GDC电解质支撑管，支撑管经过干燥后1400℃烧结。在电解质支撑管内表面通过浸渍方法制备一层GDC-CuO阳极薄膜，之后在 1400℃烧结后得到半电池。半电池在氢气环境下高温还原(750℃)2小时，得到阳极还原后的半电池，还原后阳极支撑管中Cu的质量分数为30％，然后在半电池表面喷涂制备一层LSCF电极后在惰性气氛下1100℃烧结5小时，得到电解质支撑的管式固体氧化物燃料电池。将活性炭填放在固体氧化物燃料电池管内部，并在固体氧化物燃料电池阴极表面涂上银胶作为集流器，阴极与阳极各引出导线作为正负极。
将GDC与K2CO3按照质量比1∶1(质量比)混合后等静压制备成与管式固体氧化物燃料电池截面相同大小的片作为CO2分离膜，并通过银胶密封在管式固体氧化物燃料电池开口端，得到碳-空气电池。
碳-空气电池在900℃下工作，其开路电压为0.72V，功率密度可达150mWcm-2，电池容量达到2800mAh g-1。
实施例3：通过浇铸法制备阴极支撑管，支撑管经过干燥后1000℃烧结。在阴极支撑管内表面通过浸渍方法制备一层YSZ电解质薄膜，之后在1300℃烧结后得到半电池。在半电池内表面浸渍制备一层SDC-NiO阳极后再次在空气气氛下1300℃烧结5小时，得到阳极未还原的管式固体氧化物燃料电池，管式固体氧化物燃料电池在氢气环境下高温还原(750℃)2小时，得到阳极还原后的阴极支撑的管式固体氧化物燃料电池，还原后阳极支撑管中Ni的质量分数为60％，。将活性炭填放在固体氧化物燃料电池管内部，并在固体氧化物燃料电池阴极表面涂上银胶作为集流器，阴极与阳极各引出导线作为正负极。
将YSZ与K2CO3按照质量比3∶1(质量比)混合后等静压制备成与管式固体氧化物燃料电池截面相同大小的片作为CO2分离膜，并通过银胶密封在管式固体氧化物燃料电池开口端，得到碳-空气电池。
碳-空气电池在500℃下工作，其开路电压为0.84V，功率密度可达40mWcm-2，电池容量达到3800mAh g-1。
实施例4：将NiO和YSZ混合加水与粘结剂球磨1小时，加入5％(质量分数)阿拉伯胶继续球磨1小时后得到固含量在70％(质量分数)的浆料。浆料在施工模具中浇铸成型得到阳极支撑管，支撑管经过干燥后1100℃烧结。在阳极支撑体表面通过喷涂方法制备一层YSZ电解质薄膜，电解质薄膜在1400℃烧结后，再在YSZ电解质薄膜喷涂制备了一层SDC电解质层，并在1300℃下烧结得到 半电池。半电池在氢气环境下高温还原(750℃)2小时，得到阳极还原后的半电池，还原后阳极支撑管中Ni的质量分数为20％，然后在半电池表面喷涂制备一层BSCF电极后在惰性气氛下1000℃烧结2小时，得到阳极支撑的管式固体氧化物燃料电池。将石墨粉填放在固体氧化物燃料电池管内部，并在固体氧化物燃料电池阴极表面涂上银胶作为集流器，阴极与阳极各引出导线作为正负极。
将SDC与K2CO3按照质量比1∶1(质量比)混合后干压制备成与管式固体氧化物燃料电池截面相同大小的片作为CO2分离膜，并通过银胶密封在管式固体氧化物燃料电池开口端，得到碳-空气电池。单电池在700、750与800℃下测试，具体结果见图5，从图中可以看出，碳-空气电池的开路电压分别为0.71、0.75、0.78V，最大功率分别为0.17、0.42和0.48W，。
实施例5：除碳燃料由石墨粉换成粉末状煤以外，其它与实施例4相同。
碳-空气电池在700℃下工作，其开路电压为0.88V，功率密度可达110mWcm-2，电池容量达到4400mAh g-1。
实施例6：除CO2分离膜由Na2CO3与SDC按照1∶2(质量比)混合后干压制备外，其它与实施例4相同。
碳-空气电池在700℃下工作，其开路电压为0.85V，功率密度可达100mWcm-2，电池容量达到3900mAh g-1。
实施例7：除CO2分离膜由Na2CO3、Li2CO3与GDC按照1∶1∶2(质量比)混合后干压制备外，其它与实施例4相同。
碳-空气电池在700℃下工作，其开路电压为0.88V，功率密度可达130mWcm-2，电池容量达到4300mAh g-1。
Claims (9)
1.中高温碳-空气电池，由固体氧化物燃料电池(2)、CO2分离膜(1)与碳燃料(3)组成；固体氧化物燃料电池是一端封闭的管式固体氧化物燃料电池，碳燃料(3)放置在管式固体氧化物燃料电池(2)内部，CO2分离膜(1)密封在固体氧化物燃料电池(2)的开口端；碳-空气电池以碳为燃料，空气中的氧气为氧化气发生电化学反应。
2.根据权利要求1所述的碳-空气电池，其特征在于固体氧化物燃料电池(2)的构型是阳极支撑型、电解质支撑型或阴极支撑型中的一种；固体氧化物燃料电池(2)由阳极(2-1)、电解质(2-2)和阴极(2-3)三层组成；其阳极(2-1)在电池管内部，阴极(2-3)在电池管外部，电解质(2-2)层在阳极(2-1)与阴极(2-3)之间。
3.根据权利要求2所述的碳-空气电池，其特征在于固体氧化物燃料电池的电解质(2-2)为稳定氧化锆、掺杂氧化铈或者掺杂镓酸镧中的一种或者两者及两者以上的结合；结合方式为混合或者为多层叠加。
4.根据权利要求2所述的碳-空气电池，其特征在于固体氧化物燃料电池阳极(2-1)为电解质(2-2)与Ni、Pt、Ag、Ru、Fe、Cu金属单质中的一种或者多种的混合物，其中金属单质占混合物的质量分数为10-90％；或者是钙钛矿材料。
5.根据权利要求2所述的碳-空气电池，其特征在于固体氧化物燃料电池阴极(2-3)为La0.8Sr0.2MnO3、La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3、Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O、La2NiO4、PrBaCoO5、Pt、Ag-Sm0.2Ce0.8O1.9或Ag-La0.8Sr0.2MnO3中的一种与电解质(2-2)的混合物，其中电解质材料占混合物的质量分数为0-90％。
6.根据权利要求1所述的碳-空气电池，其特征在于碳-空气电池的操作温度为500～900℃。
7.根据权利要求1所述的碳-空气电池，其特征在于CO2分离膜(1)为无机物材料，为碳酸盐与高温氧离子导体的混合物压制而成；其中碳酸盐占混合物的质量分数为20-80％。
8.根据权利要求1所述的碳-空气电池，其特征在于所述的碳酸盐至少为Li2CO3、NaCO3或K2CO3中的一种；所述的高温氧离子导体至少为SDC、GDC或YSZ中的一种。
9.根据权利要求1所述的的碳-空气电池，其特征在于燃料碳为木炭、竹炭、活性炭、焦炭、无定形碳、粉末状煤或石墨中的任意一种或者几种组合。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201210085404.6A CN102610842B (zh) | 2012-03-28 | 2012-03-28 | 中高温碳-空气电池 |
| US14/387,942 US9627703B2 (en) | 2012-03-28 | 2013-03-26 | Medium and high-temperature carbon-air cell |
| PCT/CN2013/073226 WO2013143452A1 (zh) | 2012-03-28 | 2013-03-26 | 中高温碳-空气电池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201210085404.6A CN102610842B (zh) | 2012-03-28 | 2012-03-28 | 中高温碳-空气电池 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN102610842A true CN102610842A (zh) | 2012-07-25 |
| CN102610842B CN102610842B (zh) | 2014-06-25 |
Family
ID=46528078
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201210085404.6A Active CN102610842B (zh) | 2012-03-28 | 2012-03-28 | 中高温碳-空气电池 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US9627703B2 (zh) |
| CN (1) | CN102610842B (zh) |
| WO (1) | WO2013143452A1 (zh) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2013143452A1 (zh) * | 2012-03-28 | 2013-10-03 | 南京工业大学 | 中高温碳-空气电池 |
| CN105140532A (zh) * | 2015-07-30 | 2015-12-09 | 华南理工大学 | 一种可原位探测温度的燃料电池用的氧离子导体材料及制备方法 |
| CN107146896A (zh) * | 2017-05-26 | 2017-09-08 | 黄忠超 | 固体氧化物燃料电池以不同粒度焦炭做燃料的发电方法 |
| WO2017147793A1 (zh) * | 2016-03-01 | 2017-09-08 | 苏州大学张家港工业技术研究院 | 基于锂离子固体电解质的锂空气电池的制备方法 |
| CN110943268A (zh) * | 2018-09-21 | 2020-03-31 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | 一种全固态金属空气电池及其制备方法 |
| CN114600285A (zh) * | 2019-08-28 | 2022-06-07 | 麻省理工学院 | 电化学介导的包括来自低浓度流的气体捕获 |
Families Citing this family (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US10770726B2 (en) * | 2015-03-06 | 2020-09-08 | Lg Chem, Ltd. | Method for manufacturing electrode, electrode manufactured by same, electrode structure including electrode, fuel cell or metal-air secondary battery, battery module including cell or battery, and composition for manufacturing electrode |
| CN107170986B (zh) * | 2017-05-11 | 2019-10-22 | 华南农业大学 | 一种锂离子电池竹炭负极材料的制备方法 |
| JP6912584B2 (ja) * | 2017-08-24 | 2021-08-04 | アイ’エムセップ株式会社 | 二酸化炭素電解・炭素燃料電池一体型装置 |
| CN114583228A (zh) * | 2022-03-08 | 2022-06-03 | 中国科学技术大学先进技术研究院 | 电解质隔膜层、以及对称型质子导体固体氧化物燃料电池 |
| CN114639854A (zh) * | 2022-03-31 | 2022-06-17 | 中国科学技术大学先进技术研究院 | 质子导体固体氧化物电池 |
| CN114628753A (zh) * | 2022-03-31 | 2022-06-14 | 中国科学技术大学先进技术研究院 | 一种具有负极阻隔层的质子导体固体氧化物电池 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2004296366A (ja) * | 2003-03-28 | 2004-10-21 | Casio Comput Co Ltd | 発電装置 |
| CN101203971A (zh) * | 2005-05-16 | 2008-06-18 | 迪卡朋技术股份有限公司 | 高温直接煤燃料电池 |
| 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 |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7799472B2 (en) | 2005-05-16 | 2010-09-21 | Turgut M. Gür | High temperature direct coal fuel cell |
| US20110014526A1 (en) | 2005-05-16 | 2011-01-20 | Guer Turgut M | High temperature direct coal fuel cell |
| CN102610842B (zh) | 2012-03-28 | 2014-06-25 | 南京工业大学 | 中高温碳-空气电池 |
-
2012
- 2012-03-28 CN CN201210085404.6A patent/CN102610842B/zh active Active
-
2013
- 2013-03-26 WO PCT/CN2013/073226 patent/WO2013143452A1/zh active Application Filing
- 2013-03-26 US US14/387,942 patent/US9627703B2/en active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2004296366A (ja) * | 2003-03-28 | 2004-10-21 | Casio Comput Co Ltd | 発電装置 |
| CN101203971A (zh) * | 2005-05-16 | 2008-06-18 | 迪卡朋技术股份有限公司 | 高温直接煤燃料电池 |
| 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 |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2013143452A1 (zh) * | 2012-03-28 | 2013-10-03 | 南京工业大学 | 中高温碳-空气电池 |
| US9627703B2 (en) | 2012-03-28 | 2017-04-18 | Nanjing University Of Technology | Medium and high-temperature carbon-air cell |
| CN105140532A (zh) * | 2015-07-30 | 2015-12-09 | 华南理工大学 | 一种可原位探测温度的燃料电池用的氧离子导体材料及制备方法 |
| CN105140532B (zh) * | 2015-07-30 | 2017-06-20 | 华南理工大学 | 一种可原位探测温度的燃料电池用的氧离子导体材料及制备方法 |
| WO2017147793A1 (zh) * | 2016-03-01 | 2017-09-08 | 苏州大学张家港工业技术研究院 | 基于锂离子固体电解质的锂空气电池的制备方法 |
| CN107146896A (zh) * | 2017-05-26 | 2017-09-08 | 黄忠超 | 固体氧化物燃料电池以不同粒度焦炭做燃料的发电方法 |
| CN110943268A (zh) * | 2018-09-21 | 2020-03-31 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | 一种全固态金属空气电池及其制备方法 |
| CN114600285A (zh) * | 2019-08-28 | 2022-06-07 | 麻省理工学院 | 电化学介导的包括来自低浓度流的气体捕获 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2013143452A1 (zh) | 2013-10-03 |
| CN102610842B (zh) | 2014-06-25 |
| US9627703B2 (en) | 2017-04-18 |
| US20150050579A1 (en) | 2015-02-19 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN102610842B (zh) | 中高温碳-空气电池 | |
| Zhao et al. | Recent progress on solid oxide fuel cell: Lowering temperature and utilizing non-hydrogen fuels | |
| CN102290589B (zh) | 一种阴极支撑型直接碳燃料电池 | |
| Fabbri et al. | Towards the next generation of solid oxide fuel cells operating below 600 C with chemically stable proton‐conducting electrolytes | |
| CN101694883B (zh) | 一种直接碳固体氧化物燃料电池 | |
| CN100449834C (zh) | 中温sofc的阳极-电解质-阴极组件及其制备方法 | |
| CN101540411A (zh) | 固体电解质直接碳燃料电池 | |
| CN101964422A (zh) | 钙钛矿型固体氧化物燃料电池阳极材料 | |
| CN1913208B (zh) | 一种中温固体氧化物燃料电池体系材料及其电池与制备方法 | |
| US9666891B2 (en) | Gas phase modification of solid oxide fuel cells | |
| CN101599546A (zh) | 一种固体氧化物燃料电池阴极材料及应用 | |
| CN105742646B (zh) | 具有石榴果实结构的固体氧化物燃料电池阴极材料及制备 | |
| US9660273B2 (en) | Liquid phase modification of solid oxide fuel cells | |
| Zhou et al. | Enhanced sulfur and carbon coking tolerance of novel co-doped ceria based anode for solid oxide fuel cells | |
| Jiang et al. | Performance and stability of co-synthesized Sm0. 5Sr0. 5CoO3-Sm0. 2Ce0. 8O1. 9 oxygen electrode for reversible solid oxide cells | |
| Chen et al. | High-Performance La0. 9Sr0. 1Ga0. 8Mg0. 2O3-δ Electrolyte-Based Direct Raw Brown Coal Fuel Cells | |
| CN103825038B (zh) | 一种钙钛矿结构的电解质材料 | |
| CN109360991A (zh) | 一种低温固体氧化物燃料电池复合阴极及其制备方法 | |
| CN112687931B (zh) | 一种便携式直接碳发电装置及其发电方法 | |
| CN110752399B (zh) | 可反复利用的联排结构管式直接碳固体氧化物燃料电池组 | |
| CN109904470B (zh) | 一种固体氧化物燃料电池阴极材料 | |
| CN103682406B (zh) | 利用天然气的固体氧化物燃料电池 | |
| Zhan et al. | Nanostructure electrodes for metal-supported solid oxide fuel cells | |
| JP2013191546A (ja) | 固体酸化物型燃料電池 | |
| CN112909311B (zh) | 一种以碳和水为燃料的中温固体氧化物燃料电池 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |