CN102723516B - 一种以液态金属锡为阳极的直碳燃料电池装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种以液态金属锡为阳极的直碳燃料电池装置。本发明的圆筒型容器的顶部设有盖，外面有加热圈包裹，圆筒型容器内底部有导热垫片，电池单体置于其上，留出阴极气体流过的流道，使阴极气透过陶瓷上的孔道与阴极接触，由密封垫圈将圆筒型容器分隔成阴极区和阳极区；圆筒型容器下部为阴极区，由气泵经阴极进气导管将阴极气导入，阴极尾气由阴极出气导管导出；圆筒型容器上部为阳极区，阳极载气经阳极进气管导入，由阳极出气管导出。有益效果是：以液态金属锡为阳极，而非现有的含碳燃料混合物与电流收集器构成的阳极结构，提高了阳极传质性能；同时，可依据这一新结构进行大功率直碳燃料电池堆的研究与开发。
Description
技术领域
本发明涉及直碳燃料电池领域，特别涉及一种以液态金属锡为阳极的直碳燃料电池装置。
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。
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，因此直碳燃料电池成为燃料电池研究的热点。
直碳燃料电池的阳极传质机理的研究还处在探索阶段。现有的阳极区的结构都是将碳燃料与同为电子与离子导体的碳酸盐混合，并在阳极区安装电流收集器(例如镍网)来实现阳极传质过程。
但是，由于碳燃料与电流收集器同为固体，使得他们之间的接触面积有限，这也就限制了阳极传质的效率。这是直碳燃料电池阳极传质需要改进的一个技术难题。
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，提供一种以液态金属锡为阳极的直碳燃料电池装置，以液态金属锡为阳极，利用锡熔点低的特点，在电池运行的工况下，锡熔化为液态，使碳燃料浸没在其中，增大了接触面积，从而改善了阳极传质过程。
其技术方案是：主要由阳极出气管、气泵、阴极进气导管、圆筒型容器、导热垫片、阳极进气管、阴极出气导管、密封垫圈、电池单体、加热圈组成，所述的圆筒型容器的顶部设有盖，外面有加热圈包裹，圆筒型容器内底部有导热垫片，电池单体置于其上，留出阴极气体流过的流道，使阴极气透过陶瓷上的孔道与阴极接触，由密封垫圈将圆筒型容器分隔成阴极区和阳极区；圆筒型容器下部为阴极区，由气泵经阴极进气导管将阴极气导入，阴极尾气由阴极出气导管导出；圆筒型容器上部为阳极区，阳极载气经阳极进气管导入，由阳极出气管导出；所述的电池单体从下到上依次为陶瓷支撑，电池阴极，阴极电解质过渡层，电解质层，用高温密封胶与碳燃料仓粘连密封，在碳燃料仓内装入金属锡粉与碳燃料的混合物，各部件紧密结合构成电池单体，通过阴极集流导线和阳极集流导线连接外部负载。
上述的电池单体可以为四层到五层结构：四层结构是从下到上依次是陶瓷支撑，电池阴极，阴极电解质过渡层和电解质层；五层结构则是四层基础上，在阳极与电解质层中间，添加阳极—电解质过渡层。
上述的金属锡粉采用的是锡粉末，其粒径为1mm至10nm。
电解质层是由过渡金属氧化物，稀土氧化物和碳酸盐混合加工而成的复合电解质，具体的是氧化钐参杂的氧化铈(SDC)，氧化钪稳定的氧化锆(SSZ)和氧化铝Al2O3，碳酸锂Li2CO3，碳酸钾K2CO3，碳酸钠Na2CO3其中的两种或者两种以上按一定质量比混合而形成的复合电解质材料。
上述的碳燃料仓为陶瓷管，所述的导热垫片为陶瓷片，所述的密封垫圈为氧化铝纤维板，所述的圆筒型容器为不锈钢釜，所述的加热圈为陶瓷加热圈。
上述的碳燃料为无定形碳，碳黑，煤炭，焦炭或者其他含碳丰富的燃料。
上述的阳极气为氮气。
上述的阴极气是空气，氧气或者两者的混合气。
本发明的有益效果是：该直碳燃料电池单体以液态金属锡为阳极，而非现有的含碳燃料混合物与电流收集器构成的阳极结构，提高了阳极传质性能；同时，可依据这一新结构进行大功率直碳燃料电池堆的研究与开发。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的电池单体的结构图；
上图中：阴极集流导线1、碳燃料2、金属锡粉3、电解质层4、电池阴极5、阳极集流导线6、碳燃料仓7、阴极电解质过渡层8，陶瓷支撑9、阳极出气管10、气泵11、阴极进气导管12、圆筒型容器13、导热垫片14、阳极进气管15、阴极出气导管16、密封垫圈17、电池单体18、加热圈19。
具体实施方式
本发明提到的一种以液态金属锡为阳极的直碳燃料电池装置，主要由阳极出气管10、气泵11、阴极进气导管12、圆筒型容器13、导热垫片14、阳极进气管15、阴极出气导管16、密封垫圈17、电池单体18、加热圈19组成，所述的圆筒型容器13的顶部设有盖，外面有加热圈19包裹，圆筒型容器13内底部有导热垫片14，电池单体18置于其上，留出阴极气体流过的流道，使阴极气透过陶瓷上的孔道与阴极接触，由密封垫圈17将圆筒型容器13分隔成阴极区和阳极区；圆筒型容器13下部为阴极区，由气泵11经阴极进气导管12将阴极气导入，阴极尾气由阴极出气导管16导出；圆筒型容器13上部为阳极区，阳极载气经阳极进气管15导入，由阳极出气管10导出；所述的电池单体18从下到上依次为陶瓷支撑9，电池阴极5，阴极电解质过渡层8，电解质层4，用高温密封胶与碳燃料仓7粘连密封，在碳燃料仓7内装入金属锡粉3与碳燃料2的混合物，各部件紧密结合构成电池单体，通过阴极集流导线1和阳极集流导线6连接外部负载。
上述的电池单体18可以为四层到五层结构：四层结构是从下到上依次是陶瓷支撑9，电池阴极5，阴极电解质过渡层8和电解质层4；五层结构则是四层基础上，在阳极与电解质层4中间，添加阳极—电解质过渡层。
上述的金属锡粉3采用的是锡粉末，其粒径为1mm至10nm。
电解质层4是由过渡金属氧化物，稀土氧化物和碳酸盐混合加工而成的复合电解质，具体的是氧化钐参杂的氧化铈(SDC)，氧化钪稳定的氧化锆(SSZ)和氧化铝Al2O3，碳酸锂Li2CO3，碳酸钾K2CO3，碳酸钠Na2CO3其中的两种或者两种以上按一定质量比混合而形成的复合电解质材料，为本领域技术人员所熟知的现有技术。
上述的碳燃料仓7为陶瓷管，所述的导热垫片14为陶瓷片，所述的密封垫圈17为氧化铝纤维板，所述的圆筒型容器13为不锈钢釜，所述的加热圈19为陶瓷加热圈。
上述的碳燃料2为无定形碳，碳黑，煤炭，焦炭或者其他含碳丰富的燃料。
上述的阳极气为氮气；上述的阴极气是空气，氧气或者两者按为本领域技术人员所熟知的比例混合。
其工作温度范围是500至1000℃，另外，可依据实际情况，碳燃料的供给可采用间歇进料工作方式，可尝试连续进料方式改造。
以下结合实例，对该直碳燃料电池技术进行进一步的说明：
实施例1：以碳黑作为碳燃料，将其与锡粉按质量比20：3混合加入到以液态金属锡为阳极的直碳燃料电池单体的燃料腔中，密封好电池装置。在常温下，向阳极通入氮气，排除阳极腔内的空气。开启加热器，升温到500℃时，向阴极腔通入空气，气压为0.5Mpa,记录电池工况，现列举750℃下的电池放电性能，见附表一。
实施例2：以碳黑作为碳燃料，将其与锡粉按质量比6：1混合加入到以液态金属锡为阳极的直碳燃料电池单体的燃料腔中，密封好电池装置。在常温下，向阳极通入氮气，排除阳极腔内的空气。开启加热器，升温到500℃时，向阴极腔通入空气，气压为0.5Mpa,记录电池工况，现列举750℃下的电池放电性能，见附表一。
实施例3：以碳黑作为碳燃料，将其与锡粉按质量比11：1混合加入到以液态金属锡为阳极的直碳燃料电池单体的燃料腔中，密封好电池装置。在常温下，向阳极通入氮气，排除阳极腔内的空气。开启加热器，升温到500℃时，向阴极腔通入空气，气压为0.5Mpa,记录电池工况，现列举800℃下的电池放电性能，见附表一。
表一如下：
| 实施例 | 锡：碳(质量比) | 温度 | 最大电流密度 | 最大功率密度 | 平均功率密度 |
| 1 | 20:3 | 750 | 5.37mA/cm2 | 4.75mW/cm2 | 4.53mW/cm2 |
| 2 | 6:1 | 750 | 9.61mA/cm2 | 9.11mW/cm2 | 8.64mW/cm2 |
| 3 | 11:1 | 800 | 10.02mA/cm2 | 9.90mW/cm2 | 8.45mW/cm2 |
Claims (7)
1.一种以液态金属锡为阳极的直碳燃料电池发电装置，其特征是：主要由阳极出气管（10）、气泵（11）、阴极进气导管（12）、圆筒型容器（13）、导热垫片（14）、阳极进气管（15）、阴极出气导管（16）、密封垫圈（17）、电池单体（18）、加热圈（19）组成，所述的圆筒型容器（13）的顶部设有盖，外面有加热圈（19）包裹，圆筒型容器(13)内底部有导热垫片(14)，电池单体(18)置于其上，留出阴极气体流过的流道，使阴极气透过陶瓷上的孔道与阴极接触，由密封垫圈(17)将圆筒型容器(13)分隔成阴极区和阳极区；圆筒型容器(13)下部为阴极区，由气泵(11)经阴极进气导管(12)将阴极气导入，阴极尾气由阴极出气导管(16)导出；圆筒型容器(13)上部为阳极区，阳极载气经阳极进气管(15)导入，由阳极出气管(10)导出；所述的电池单体（18）从下到上依次为陶瓷支撑（9）、电池阴极（5）、阴极电解质过渡层（8）、电解质层（4）和碳燃料仓（7），电解质层（4）通过高温密封胶与碳燃料仓（7）粘连密封，在碳燃料仓（7）内装入金属锡粉（3）与碳燃料（2）的混合物，各部件紧密结合构成电池单体，通过阴极集流导线（1）和阳极集流导线（6）连接外部负载；所述的金属锡粉（3）采用的是锡粉末，其粒径为1mm至10nm。
2.根据权利要求1所述的以液态金属锡为阳极的直碳燃料电池发电装置，其特征是：在阳极与电解质层（4）中间，添加阳极—电解质过渡层。
3.根据权利要求1所述的以液态金属锡为阳极的直碳燃料电池发电装置，其特征是：电解质层（4）是由过渡金属氧化物、稀土氧化物和碳酸盐混合加工而成的复合电解质。
4.根据权利要求1所述的以液态金属锡为阳极的直碳燃料电池发电装置，其特征是：所述的碳燃料仓(7)为陶瓷管，所述的导热垫片(14)为陶瓷片，所述的密封垫圈(17)为氧化铝纤维板，所述的圆筒型容器(13)为不锈钢釜，所述的加热圈(19)为陶瓷加热圈。
5.根据权利要求1所述的以液态金属锡为阳极的直碳燃料电池发电装置，其特征是：所述的碳燃料(2)为无定形碳、碳黑、煤炭、焦炭或者其他含碳丰富的燃料。
6.根据权利要求1所述的以液态金属锡为阳极的直碳燃料电池发电装置，其特征是：所述的阳极载气为氮气。
7.根据权利要求1所述的以液态金属锡为阳极的直碳燃料电池发电装置，其特征是：所述的阴极气是空气或氧气。
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