CN103441294B - 采用含碳垃圾作为sofc燃料的发电装置 - Google Patents

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Abstract

采用含碳垃圾作为SOFC燃料的发电装置，它涉及一种采用含碳垃圾作为燃料的发电装置。本发明是为了解决现有SOFC中作为燃料的氢气价格昂贵的技术问题。发电方法如下：将含碳垃圾加入燃料管4中，含碳垃圾与氧气反应生成二氧化碳，二氧化碳再与含碳垃圾反应生成一氧化碳，一氧化碳与电解质层2传递过来的氧离子反应生成二氧化碳并失去电子，一氧化碳失去的电子通过导线由阳极3流入阴极1，形成电流回路。本发明装置包括阴极1、电解质层2、阳极3、燃料管4和密封胶塞5。本发明实现了SOFC的无成本运行。本发明属于利用含碳垃圾发电领域。

Description

采用含碳垃圾作为SOFC燃料的发电装置
技术领域
本发明涉及一种采用含碳垃圾作为燃料的发电装置。
背景技术
固体氧化物燃料电池(SOFC)，是一种能源转换装置，它能够把燃料如氢气中的化学能直接转化为电能，不受卡诺循环的限制，因此具有较高能源转换率。通常SOFC的能源转换率可达到60％，如果采用热电联供方式，能源转换率可达到80％，是普通火力发电的2～3倍。除此之外，SOFC还是一个洁净能源系统。SOFC的传统燃料是氢气，系统的最终反应产物是水，可以供人类直接饮用。进入21世纪，当人类面临严峻的能源和环境问题时，SOFC的优势更加凸显，它的大规模开发利用也备受关注。但是，迄今为止SOFC仍旧没有实现商业化。其中一个主要原因就是运行成本较高，输出电力与传统火电相比没有价格优势。SOFC的运行成本，绝大部分来源于燃料，因为SOFC各个部件都是全陶瓷结构，在运行过程中没有任何消耗和损失，理论上讲，如果保证燃料持续供给，SOFC就可以源源不断地提供电力输出。作为燃料氢气不仅价格昂贵，并且产量低，不易运输，不易储存，因此，寻找低成本替代燃料成为当下SOFC的研发思路。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有SOFC中作为燃料的氢气价格昂贵的技术问题，提供了一种采用含碳垃圾作为SOFC燃料的发电装置。
采用含碳垃圾作为SOFC燃料的发电方法如下：
将含碳垃圾加入采用含碳垃圾作为SOFC燃料的发电装置的燃料管4中，燃料管4中的含碳垃圾首先与反应腔6内的残留的氧气反应生成二氧化碳，二氧化碳再与燃料管4中的含碳垃圾反应生成一氧化碳，生成的一氧化碳吸附在固体氧化物燃料电池阳极3的表面，一氧化碳与电解质层2传递的氧离子反应生成二氧化碳同时失去电子，一氧化碳失去的电子通过导线由阳极3流入阴极1，形成电流给用电设备7供电，其中在发电的过程中持续从燃料管4的一端向其内部加入含碳垃圾。
所述的含碳垃圾是树叶、树枝、树皮、树根、锯末、秸秆、桔梗、煤炭、煤灰、原煤或焦炭。
其电池的运行原理依靠如下三个反应：
C(含碳垃圾中固态碳)+O2(反应腔6内残留氧气)→CO2(气态)
CO(气态)+O2-(电解质与电极界面)→CO2(气态)+2e-
所述采用含碳垃圾作为SOFC燃料的发电装置第一种技术方案包括阴极1、电解质层2、阳极3、燃料管4和密封胶塞5，其特征在于所述阳极3为底端封闭的管状，密封胶塞5插在阳极3的开口端将阳极3封闭，所述的燃料管4位于密封胶塞5与阳极3所形成的反应腔6的内部，燃料管4的两端穿出密封胶塞5，所述的燃料管4的管体上开有过气孔；阳极的外表面上蒙覆一层电解质层2，电解质层2的外表面蒙覆阴极1。
所述采用含碳垃圾作为SOFC燃料的发电装置第二种技术方案包括阴极1、电解质层2、阳极3、燃料管4、密封胶塞5和陶瓷管8，其特征在于片状的阳极3的一个表面固定在陶瓷管8的一端并将该端部封闭，密封胶塞5插在陶瓷管8的开口端将陶瓷管8封闭，所述的燃料管4位于密封胶塞5与陶瓷管8所形成的反应腔6的内部，燃料管4的两端穿出密封胶塞5，所述的燃料管4的管体上开有过气孔；阳极3的另一表面上蒙覆一层电解质层2，电解质层2的一个表面与阳极3相连，电解质层2的另一表面蒙覆阴极1。
所述燃料管4的形状为U型。
所述燃料管4U型的底部盘曲成螺旋状。
本发明实现了SOFC的无成本运行，即SOFC的工作所需燃料来源于我们日常生活中的含碳垃圾，如树叶，树枝，木屑，麦梗等等。
附图说明
图1是采用含碳垃圾作为SOFC燃料的发电装置的结构图；
图2是采用含碳垃圾作为SOFC燃料的发电装置的结构图；
图3是U型的底部盘曲成螺旋状的燃料管4的结构图；
图4是实验一中将柳树叶直接作为燃料的SOFC在700、750和800℃下的输出性能，图中-■-表示柳树叶作为燃料SOFC在700℃下的I-V曲线，-□-表示柳叶作为燃料SOFC在700℃下的I-P曲线，-●-表示柳树叶作为燃料SOFC在750℃下的I-V曲线，-○-表示柳叶作为燃料SOFC在750℃下的I-P曲线，-★-表示柳树叶作为燃料SOFC在800℃下的I-V曲线，-☆-表示柳叶作为燃料SOFC在800℃下的I-P曲线。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式采用含碳垃圾作为SOFC燃料的发电方法如下：
将含碳垃圾加入采用含碳垃圾作为SOFC燃料的发电装置的燃料管4中，燃料管4中的含碳垃圾首先与反应腔6内的残留的氧气反应生成二氧化碳，二氧化碳再与燃料管4中的含碳垃圾反应生成一氧化碳，生成的一氧化碳吸附在固体氧化物燃料电池阳极3的表面，一氧化碳与电解质层2传递的氧离子反应生成二氧化碳同时失去电子，一氧化碳失去的电子通过导线由阳极3流入阴极1，形成电流给用电设备7供电，其中在发电的过程中持续从燃料管4的一端向其内部加入含碳垃圾。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是所述的含碳垃圾是树叶、树枝、树皮、树根、锯末、秸秆、桔梗、煤炭、煤灰、原煤或焦炭。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图2，具体实施方式一所述采用含碳垃圾作为SOFC燃料的发电装置包括阴极1、电解质层2、阳极3、燃料管4和密封胶塞5，其特征在于所述阳极3为底端封闭的管状，密封胶塞5插在阳极3的开口端将阳极3封闭，所述的燃料管4位于密封胶塞5与阳极3所形成的反应腔6的内部，燃料管4的两端穿出密封胶塞5，所述的燃料管4的管体上开有过气孔；阳极的外表面上蒙覆一层电解质层2，电解质层2的外表面蒙覆阴极1。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式三不同的是所述燃料管4的形状为U型。其它与具体实施方式三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式三或四不同的是所述燃料管4U型的底部盘曲成螺旋状。其它与具体实施方式三或四相同。
具体实施方式六：结合图1，具体实施方式一所述采用含碳垃圾作为SOFC燃料的发电装置包括阴极1、电解质层2、阳极3、燃料管4、密封胶塞5和陶瓷管8，其特征在于片状的阳极3的一个表面固定在陶瓷管8的一端并将该端部封闭，密封胶塞5插在陶瓷管8的开口端将陶瓷管8封闭，所述的燃料管4位于密封胶塞5与陶瓷管8所形成的反应腔6的内部，燃料管4的两端穿出密封胶塞5，所述的燃料管4的管体上开有过气孔；阳极3的另一表面上蒙覆一层电解质层2，电解质层2的一个表面与阳极3相连，电解质层2的另一表面蒙覆阴极1。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式六不同的是所述燃料管4的形状为U型。其它与具体实施方式六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式六或七不同的是所述燃料管4U型的底部盘曲成螺旋状。其它与具体实施方式六或七相同。
采用下述实验验证本发明效果：
实验一：结合图1，采用含碳垃圾作为SOFC燃料的发电方法如下：
一、配制混合硝酸盐水溶液：向硝酸镧、硝酸锶、硝酸铬、硝酸锰和硝酸镍的混合物中加入去离子水，以400r/min的搅拌速率搅拌15min，加入尿素，尿素与金属离子摩尔比为2:1，以400r/min的搅拌速率搅拌10min，得到La0.75Sr0.25Cr0.5Mn0.5(NO3)x和Ni(NO3)2的前驱体溶液；其中，硝酸镧、硝酸锶、硝酸铬、硝酸锰与硝酸镍的物质的量的比为0.75:0.25:0.5:0.5:0.2，La0.75Sr0.25Cr0.5Mn0.5(NO3)x和Ni(NO3)2的前驱体溶液中Mn离子的摩尔浓度为0.25mol/L；
二、制备多孔阳极支撑体：将电解质YSZ与有机造孔剂木薯粉按照5:3的质量比混合后在玛瑙研钵中研磨5小时，得到均匀粉体，将0.25g粉体均匀撒入Φ13模具中，在300MPa压力下成型，再在1000℃预烧2小时，得到坯体；
三、制备多孔阳极及电解质薄膜：将电解质YSZ粉在玛瑙研钵中研磨2小时后加入粘结剂(松油醇和乙基纤维素组成，松油醇和乙基纤维素的质量比为7﹕3)，电解质YSZ粉与粘结剂(松油醇和乙基纤维素组成，松油醇和乙基纤维素的质量比为7﹕3)质量比为7﹕3，再混合研磨3小时，形成电解质浆料，将电解质浆料利用旋涂工艺涂覆到步骤二的坯体上，在1400℃煅烧4小时，得到多孔阳极支撑体和致密YSZ电解质层2；
四、浸渍：将步骤一中配制的La0.75Sr0.25Cr0.5Mn0.5(NO3)x和Ni(NO3)2的前驱体溶液滴注到多孔支撑体表面，利用孔隙中的毛细力将溶液引入到多孔基底中，在300℃烘烤30分钟后，形成金属氧化物，重复上述过程30次后，在1200℃烧结2小时，得到阳极3；
五、制备电池阴极：按照化学式La0.8Sr0.2O3中的计量比将所需金属硝酸盐称量后溶于去离子水中，配成浓度为1mol/L的硝酸盐溶液，甘氨酸和柠檬酸(摩尔比为1:1)按照2倍于金属离子(摩尔比)的量加入硝酸盐溶液中，在室温下搅拌15分钟，然后在80℃水浴锅中持续搅拌直至水蒸干形成凝胶，将凝胶在200℃烘箱中烘干膨胀后，在1000℃烧结2小时成相，成相后的粉体在玛瑙研钵中研磨2小时后加入粘结剂(松油醇和乙基纤维素组成，松油醇和乙基纤维素的质量比为7﹕3)，持续研磨2小时形成阴极浆料，最后将其涂覆在阳极支撑体光滑电解质薄膜YSZ表面，在1100℃烧结2小时，形成多孔阴极1；
六、电池测试：利用银膏将片状的阳极3固定在陶瓷管8的一端并将该端部封闭，在200℃烘干30分钟，将收集的柳树叶在80℃焙干10分钟后搓碎，然后将碎的树叶加入燃料管4中，密封胶塞5插在陶瓷管8的开口端将陶瓷管8封闭，所述的燃料管4位于密封胶塞5与陶瓷管8所形成的反应腔6的内部，燃料管4的两端穿出密封胶塞5，所述的燃料管4的管体上开有过气孔；阳极的外表面上蒙覆一层电解质层2，电解质层2的外表面蒙覆阴极1；电池测试采用四电极法，阳极3和阴极1分别用银膏粘连四条银丝，作为导线，并将引入的四根银丝与仪器相连，将电池端放入电炉中，电炉升温，对电池进行检测。测试仪器采用SI 1287电化学工作界面和SI 1260阻抗分析仪。
从图4可以看出以柳树叶作为燃料的SOFC在700、750和800℃下的输出性能，在800℃电池的输出最大功率密度已经达到350mW cm-2。

Claims (6)

1.采用含碳垃圾作为SOFC燃料的发电装置，包括阴极1、电解质层2、阳极3、燃料管4和密封胶塞5，其特征在于所述阳极3为底端封闭的管状，密封胶塞5插在阳极3的开口端将阳极3封闭，所述的燃料管4位于密封胶塞5与阳极3所形成的反应腔6的内部，燃料管4的两端穿出密封胶塞5，所述的燃料管4的管体上开有过气孔；阳极的外表面上蒙覆一层电解质层2，电解质层2的外表面蒙覆阴极1。
2.根据权利要求1所述采用含碳垃圾作为SOFC燃料的发电装置，其特征在于所述燃料管4的形状为U型。
3.根据权利要求2所述采用含碳垃圾作为SOFC燃料的发电装置，其特征在于所述燃料管4的U型的底部盘曲成螺旋状。
4.采用含碳垃圾作为SOFC燃料的发电装置，包括阴极1、电解质层2、阳极3、燃料管4、密封胶塞5和陶瓷管8，其特征在于片状的阳极3的一个表面固定在陶瓷管8的一端并将该端部封闭，密封胶塞5插在陶瓷管8的开口端将陶瓷管8封闭，所述的燃料管4位于密封胶塞5与陶瓷管8所形成的反应腔6的内部，燃料管4的两端穿出密封胶塞5，所述的燃料管4的管体上开有过气孔；阳极3的另一表面上蒙覆一层电解质层2，电解质层2的一个表面与阳极3相连，电解质层2的另一表面蒙覆阴极1。
5.根据权利要求4所述采用含碳垃圾作为SOFC燃料的发电装置，其特征在于所述燃料管4的形状为U型。
6.根据权利要求5所述采用含碳垃圾作为SOFC燃料的发电装置，其特征在于所述燃料管4的U型的底部盘曲成螺旋状。
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