CN112909311B - 一种以碳和水为燃料的中温固体氧化物燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种以碳和水为燃料的中温固体氧化物燃料电池，包括多孔阴极、致密电解质、多孔阳极、反应器以及热源；反应器由相互连通的顶端空腔和反应空腔组成；多孔阳极通过密封件封接至反应器的顶端空腔上；反应空腔中盛装固体物，固体物至少包括催化剂和碳材料；催化剂为过渡金属氧化物；水蒸气进气导管的一端与反应空腔底部相接通，另一端外接水源，反应空腔置于热源中；尾气出气导管从外伸入反应空腔延伸至顶端空腔。本发明的燃料为碳和水，具有安全，廉价，来源广泛。本发明具有安全、环保、高效以及成本低等特点，特别适合小型固体氧化物燃料电池，如备用电源，便携式电源。

Description

一种以碳和水为燃料的中温固体氧化物燃料电池
技术领域
本发明涉及一种燃料电池，特别是涉及一种以碳和水为燃料的中温固体氧化物燃料电池，属于电池技术领域。
背景技术
近年来随着经济的发展和环保意识的提高，常用的可再生能源，包括太阳能、风能以及潮汐能得到快速的发展，但是它们间歇性、地域性等特点限制了其进一步的发展，因此，发展一种可再生、清洁高效的能源方式尤为重要。固体氧化物燃料电池由于其具有诸多优点而受到极大的关注和研究，传统的氧离子导体需要在高温(800-1000℃)下运行，因此，带来相应的一系列问题，如密封问题、电极与电解质的反应以及启动时间长等缺点。
目前，降低电池的运行温度是固体氧化燃料电池的发展方向。中低温时，与传统的氧离子导体相比较，质子导体具有更低的质子迁移活化能，有利于质子的传导以及加速电极反应的动力学，可供使用的材料范围广，质子导体固体氧化物燃料电池的水是在阴极产生，避免了燃料气的稀释，从而提高了电池的开路电压，同时避免的阳极镍颗粒的氧化等优点。
碳材料由于具有能量密度高、来源广泛且低廉、安全、易于储存和运输等优点，得到科研工作者的广泛关注。1mol碳完全氧化可得到大约393KJ的热能。大多数碳的氧化是通过燃烧的方法，可导致环境污染和碳的使用效率低。因此，通过固体氧化物燃料电池在高温时将碳进行电化学氧化是一种行之有效的产电技术。
发明人课题组以Fe负载的活性碳为燃料，研究了以钇稳定氧化锆(YSZ)为电解质、La0.8Sr0.2MnO3-δ(LSM)为阴极的管状锥形镍基阳极支撑固体氧化物燃料电池(SOFCs)，将单个的锥形电池串联在一起，组成一个三节椎管串接式Ni-YSZ阳极支撑的电池，并进行测试运行了，在850℃下，电池组表现优异的输出性能：输出功率达到2.4W，最大功率密度为465mW/cm2(Y.H.Hui,Y.Liu,Jiang.Liu et al.Direct carbon solid oxide Fuel Cell-aPotential High Performance Battery.International Journal of HydrogenEnergy.36(2011):9189-9194)。这种椎管串接式的直接碳固体氧化物燃料电池的输出性能，可与其他相似结构的固体氧化物燃料电池在以氢气为燃料时的性能相媲美。近些年，发明人课题组制备了一种高容量的管式电池组系统，该系统将Ag-GDC阳极制备在管式电池的外侧，采用石英管作为活性物质的容器，解决了传统燃料受到限制的问题，实现了电池组长时间连续放电五节串接的外侧阳极DC-SOFC电池组，30g的活性物质，在800℃时的功率输出为6.3W，1A的恒电流放电时间长达14h。释放出的电量是14Ah，相当于是43.5Wh的电能，对应的比能量密度是1.45Wh·g-1相对于锂电池负极材料碳的理论容量是0.37Wh·g-1要高出许多。Wang.X.Q，Liu J，Xie.Y.M et al.A High Performance Direct Carbon Solid OxideFuel Cell Stack for Portable Applications.Acta Physico-Chimica Sinica.33(2017):1614-1620.
虽然直接以碳为燃料的固体氧化物燃料电池具有较高的输出功率和比能量密度，但是存在碳材料不能充分利用的问题，因为直接以碳为燃料的固体氧化物燃料电池需要在高温下运行，而高温碳的电化学氧化平衡产物气体是CO，不利于碳材料的充分利用。
发明内容
本发明采用了廉价安全的碳和水为燃料，为质子导体提供了一种安全高效的供燃料方式，纯水进入反应器与碳反应，不需要载气，降低了运行成本。
本发明提供了一种以碳和水为燃料的中温固体氧化物燃料电池。该电池中使用碳和水为电池的燃料，原位产生的H2直接扩散到阳极室，无需重整装置，并可以收集尾气，安全，简化了工作系统，水是实现碳氧化反应的媒介，水中的氧将碳氧化成CO2，提高了碳的利用率。添加CO2吸附剂(如Ca(OH)2)，可避免电解质被腐蚀，提高H2的产率以及电池的性能，产物无污染性气体，环保以及具有较好的安全性和高效率。使用质子导体固体氧化燃料电池，实现操作温度中温化，减少能耗，同时避免了H2与碳反应生成甲烷等小分子。
在本发明中，以水作为碳氧化的媒介，水中的质子通过质子导体电解质膜到达阴极，与阴极的氧反应生成水，而水中的氧则将碳氧化成CO2，虽然具体的反应步骤涉及到水与碳的反应生成H2，但是从整个系统来讲，可以看作水中的质子穿过电解质，而氧与碳反应，这在热力学上是自发反应；以碳和水为燃料，通过质子导体固体氧化物燃料电池，将碳和水的化学能转换成电能是一种全新安全高效的供料方式。
本发明中温固体氧化物燃料电池是质子导体固体氧化物燃料电池，是以过渡金属氧化物和质子导体材料的混合物为阳极，质子导体材料为电解质，阴极为复合材料。一般而言，质子导体材料采用锆酸钡基质子导体(BZY)、铈酸钡基质子导体(BCY)或者钇和锆元素共掺杂的铈酸钡基质子导体(BZCY)中的一种。按化学计量比称取相应的氧化物混合均匀后置于1000-1300℃下烧结8-20h形成纯相钙钛矿结构的质子导体前驱体粉末，以无水乙醇为溶剂，按照质量比加入X％的氧化镍(X＝30-70)、100％-X％的质子导体前驱体材料以及适量的造孔剂，混合均匀后烘干，压成一定的规则形状，置于600-900℃下烧结1-4h后形成多孔的阳极基底。阳极支撑的电解质半电池的制备采用浸渍提拉法制备，在1300-1500℃下烧结3-8h形成。孔阴极为离子电子混合导体LSCF和质子导体复合材料，并制备成阴极浆料，采用涂刷法，将阴极涂刷至在电解质的表面，在800-1200℃下烧结1-3h。造孔剂可以是可溶性淀粉、玉米淀粉或者石墨中的一种，含量为NiO和质子导体前驱体粉末重量的20％。
目前，铈酸钡基的质子导体具有较高的离子电导率，但是在CO2的气氛中容易与CO2反应使其结构遭到损害，为实现此发明的目标需要解决CO2对电解质腐蚀的问题，因此，本发明采用CO2吸附剂，吸收碳与水反应所得到的CO2转变为CaCO3，减少对电解质的损害，使尾气中含极少的CO2甚至零排放CO2，具有环保的特点，同时促使反应往生成H2的一侧进行，以提高H2的浓度，提高电池的性能。
本发明电池所使用的燃料为碳和水，其来源广泛且安全廉价，虽然具体的反应步骤涉及到水与碳反应生成氢，但从整个系统来讲，可以看作水中的质子穿过电解质，而氧与碳反应将碳完全氧化，这在热力学上是自发的反应。针对质子导体材料不耐CO2的问题，本发明添加了CO2吸附剂Ca(OH)2，提高了H2的产率进而提高电池的性能，通过使用HSCchemistry 6对该系统在700℃的条件下进行热力学平衡计算，得到H2的摩尔比百分数为46％，同时后续的实验中电池的开路电压能达到0.92V，表明该系统具有较高的效率，与此同时，吸附剂Ca(OH)2吸附了产物CO2使电池的电解质免遭CO2的损害，且尾气不含污染性气体，环保。
本发明的目的具体通过如下技术方案实现：
一种以碳和水为燃料的中温固体氧化物燃料电池，包括多孔阴极、致密电解质、多孔阳极、反应器以及热源；多孔阳极为阳极支撑体，多孔阳极表面设有致密电解质，致密电解质另一侧设有多孔阴极；所述中温固体氧化物燃料电池还包括固体物，并连接水源；反应器由相互连通的顶端空腔和反应空腔组成；多孔阳极通过密封件封接至反应器的顶端空腔上；反应空腔中盛装固体物，固体物至少包括催化剂和碳材料；催化剂为过渡金属氧化物；水蒸气进气导管的一端与反应空腔底部相接通，另一端外接水源，反应空腔置于热源中；尾气出气导管从外伸入反应空腔延伸至顶端空腔。
为进一步实现本发明目的，优选地，所述的固体物包括催化剂、碳材料以及CO2吸附剂组成；CO2吸附剂为Ca(OH)2、NaOH以及KOH中的一种或多种；所述的过渡金属氧化物包括NiO、Fe2O3、Co3O4和CuO中的一种或多种。
优选地，所述的催化剂、碳材料以及CO2吸附剂的摩尔比为0.05-0.3：0.05-1：0.01-1。
优选地，所述的碳材料为活性碳、石墨粉或炭黑，为粉状。
优选地，热源为电炉；所述的尾气出气导管在顶端空腔的开口端部距离多孔阳极为0.5-3mm。
优选地，所述的水蒸气进气导管接通蠕动泵的软管，蠕动泵的软管连接蠕动泵。
优选地，所述的顶端空腔的外径大于阳极支撑体的直径，外径为11-13mm，内径为10-12mm，高度1cm左右；所述的反应空腔的外径为27-30mm，内径为26-29mm，高度为18-21mm；
所述的多孔阳极的厚度为0.9-1mm，直径为9.5-10.0mm。
优选地，尾气出气导管和水蒸气进气导管为耐高温抗氧化材料所制成的中空管；密封件为DAD-87银导电胶。
优选地，所述的耐高温抗氧化材料为石英。
优选地，所述的多孔阳极的材料为锆和钇共掺杂的铈酸钡、NiO以及造孔剂可溶性淀粉，其中锆和钇共掺杂的铈酸钡的质量百分比为35％-45％，NiO的质量百分比为65％-55％，可溶性淀粉质量百分比为BaZr0.1Ce0.7Y0.2O3-δ和NiO质量和的20-25％；
所述的致密电解质材料为BaZr0.1Ce0.7Y0.2O3-δ；
所述的多孔阴极由BaZr0.1Ce0.7Y0.2O3-δ与LSCF组成的复合阴极，BaZr0.1Ce0.7Y0.2O3-δ和LSCF质量百分数比为25％-40％：75％-60％。
本发明采用质子导体BZCY作为电解质，离子电子混合型导体LSCF作为阴极，BZCY与NiO作为阳极材料，制备阳极支撑的质子导体固体氧化物燃料电池，将电池封接在石英反应器上。反应器中的柱形空腔中盛装碳材料、催化剂。还原后，在一定的温度下通入水，碳在催化剂的作用下与水反应原位生成H2，生成的H2扩散进入阳极室，电池在氢压差下进行工作。
水与碳在催化剂的作用下原位生成H2、CO小分子气体，生成的CO具有较高的活性，会继续与水反应生成稳定的CO2：
C+H2O＝H2+CO (1)
CO+H2O＝CO2+H2 (2)
上述反应生成的H2全部来源于水中，然后，原位产生的H2进入阳极室，驱动电池工作。
由于碳与水反应在生成H2的同时，也会产生CO，CO进一步与H2O反应，虽然能增加H2的含量，但是也产生CO2气体。质子导体BZCY中Ce含量的增加固然能提高电池的电导率，增大电池的输出行性能，但在含CO2的气氛中能使BZCY的结构遭到破坏，因此可以添加CO2的吸附剂Ca(OH)2吸附反应所产生的CO2，促使反应向生成H2的一侧进行，提高反H2的产率，同时避免CO2对质子导体固体氧化物燃料电池的损害，使反应的唯一产物为H2，所生成的尾气无污染性气体，安全环保。
本发明所涉及的燃料为水和碳，以水作为碳氧化的媒介，水中的质子通过质子导体电解质膜到达阴极，与阴极的氧反应生成水，而水中的氧则将碳氧化成CO2，具体的反应步骤涉及到水与碳的反应生成H2，但是从整个系统来讲，可以看作水中的质子穿过电解质，而氧与碳反应。其运行的原理是质子导体固体氧化物燃料电池，在氢压差下，H2在阳极侧发生氧化反应，失去电子生成质子，电子，电子沿外电路对负载做功，回到阴极；在电池内部，质子透过致密的电解质达到阴极，质子与阴极的氧离子反应生成水，水在阴极侧产生，避免了燃料的稀释，提高电池的输出的性能。
由于质子导体透过电解质所需的能量较少，所以能够实现质子导体固体氧化物燃料电池的中低温化，整个操作过程在低于或等于700℃下，避免了在高温时，碳与水在催化剂的作用下与H2反应生成甲烷等小分子气体。所使用的燃料为碳和水，只要往反应器中不断地通入水，就能高效地产生H2，水是实现碳氧化反应的媒介，水中的氧将碳氧化成CO2，提高了碳的利用率，且添加CO2的吸附剂，在提高H2产率的同时，也保护了电解质免遭CO2的腐蚀以及排出的尾气中不含污染性气体，具有安全环保和高效率的优势。本发明提出一种只通过廉价安全的碳与水为燃料，结合了质子导体固体氧化物燃料电池在中温的优势，将化学能转变成电能，这样的结构设计也对使用其他燃料提供重要的指导意义。
由此可见，设计以碳和水为燃料的中温固体氧化物燃料电池，由于直接使用的燃料为碳和水，便于携带和储存，来源范围广、低廉，系统安全高效、产物无污染性气体。
相对于现有技术，本发明具有如下特点：
1)一种以廉价安全的碳和水为燃料的中温固体氧化物燃料电池，具有很好的安全性和高效率。
2)该电池中，水是实现碳氧化反应的媒介，水中的氧将碳氧化成CO2，提高了碳的利用率。
3)添加CO2吸附剂Ca(OH)2，可避免电解质被腐蚀，提高H2的产率以及电池的性能，产物无污染性气体，环保。
4)该装置直接使用碳和水为电池的燃料，原位产生的H2直接扩散到阳极室，无需其他重整装置，并可以收集尾气，安全，简化了工作系统。
5)使用质子导体固体氧化燃料电池，实现操作温度中温化，减少能耗，同时避免了H2与碳反应生成甲烷等小分子。
附图说明
图1是本发明高效使用碳与水为燃料的中温固体氧化物燃料电池的装置示意图。
图2是实施例1中，使用碳与水为燃料和NiO为催化剂后，中温固体氧化物燃料电池在700℃时的输出性能曲线图。
图3是实施例2中，在碳和水燃料中添加CO2的吸附剂Ca(OH)2和NiO为催化剂后，中温固体氧化物燃料电池在700℃时的输出性能曲线图。
图4是实施例3中，在碳和水燃料中添加CO2的吸附剂Ca(OH)2和Fe2O3催化剂后，中温固体氧化物燃料电池在700℃时的输出性能曲线图。
图5是实施例4中，在碳和水燃料中添加CO2的吸附剂Ca(OH)2和Co3O催化剂后，中温固体氧化物燃料电池在700℃时的输出性能曲线图。
图6是实施例5中，在碳和水燃料中添加CO2的吸附剂Ca(OH)2和CuO催化剂后，中温固体氧化物燃料电池在700℃时的输出性能曲线图。
图中示出：多孔阴极1、致密电解质2、多孔阳极3、密封件4、顶端空腔5、反应空腔6、尾气出气导管7、水蒸气进气导管8、固体物9、燃料气10、尾气11、水12。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步地说明，但本发明要求保护的范围并不局限于实施方式表示的范围。
如图1所示，一种以碳和水为燃料的中温固体氧化物燃料电池，包括：多孔阴极1、致密电解质2、多孔阳极3、水12、固体物9、反应器以及热源，热源优选为电炉；多孔阳极3作为圆片式阳极支撑体，其烧结后的厚度为0.9-1mm，直径为9.5-10.0mm，多孔阳极3表面设有致密电解质2，致密电解质2另一侧设有多孔阴极1；多孔阴极1的面积为圆形，且小于致密电解质2的面积以避免封接时多孔阳极3与多孔阴极1短路；反应器由相互连通的顶端空腔5和反应空腔6组成；多孔阳极3通过密封件4封接至反应器的顶端空腔5上；反应空腔6中盛装固体物9和水，其中固体物由催化剂、碳材料以及CO2吸附剂组成；催化剂、碳材料以及CO2吸附剂的摩尔比为0.05-0.3：0.05-1：0-1(有CO2吸附剂，中温固体氧化物燃料电池的性能更高)；催化剂为过渡性金属氧化物；固体物9一次性全部装入反应空腔6。水蒸气进气导管8的一端与反应空腔6底部相接通，另一端外接水源，水经由水蒸气进气导管8进入反应空腔6，反应空腔6置于电炉的恒温区；尾气出气导管7伸入反应空腔6并延伸至顶端空腔5，尾气出气导管7在顶端空腔5的开口端部距离多孔阳极3为0.5-3mm；在保证电池不破裂的情况下，通过测试电池的伏安曲线，进入反应器中水的流量为0.02-10ml/min。反应空腔6主要设置在电炉的恒温区。
液体的水通过蠕动泵进入水蒸气进气导管8，在管式电炉加热作用发生气化进入反应空腔6中与固体物9发生反应，产生燃料气10，同时伴有CO2气体的产生，吸附剂Ca(OH)2与反应空腔6中CO2反应生成CaCO3，避免CO2对电池的损害；所生成的燃料气扩散进入反应器顶端空腔5后，在多孔阳极3发生电化学氧化；所产生的尾气11流经尾气出气导管7排出。反应器内设有的顶端空腔5和反应空腔6，形成两级空腔结构，具有缓解水汽化时产生的气压对电池的损害，可以增加固体物的盛放量，反应空腔6主要设置在电炉的恒温区，保证，受热温度统一，可进行尾气的收集；使反应空腔6内的固体物9充分与水蒸汽接触并反应，反应空腔6也是固体物9与水12发生反应产生燃料气10的场所。
本发明反应器一端用来封接电池，另一端设有出气和进气口，中间能盛装燃料。
优选地，水加热气化装置为管式电炉。
优选地，水蒸气进气导管8接通蠕动泵的软管，蠕动泵的软管连接蠕动泵，采用蠕动泵将液体水泵进水蒸气进气导管8。
优选地，端空腔5的外径大于阳极支撑体的直径为11-14mm，内径为5-7mm；
优选地，反应空腔6的外径为27-30mm，高度为18-21mm，在保证能放入管式电炉的情况下，增大反应空腔6容积主要有两个目的：一、缓解水汽化时产生的气压对电池的损害，二、可以增加碳材料的盛放量，且该部位主要集中在电炉的恒温区，保证受热温度统一。
优选地，尾气出气导管7和水蒸气进气导管8为耐高温抗氧化材料所制成的中空管；所述的耐高温抗氧化材料为石英。本发明尾气出气导管7与水蒸气进气导管8的连接保证气密性完好，如采用乳胶和硅胶管等软管连接。
优选地，密封件4为DAD-87(上海合成树脂研究所)银导电胶。银导电胶主要由银粉与环氧树脂粘结剂组成。将其填充在多孔阳极3与反应器顶端空腔5之间，干燥加热后，银导电胶中的有机添加剂(环氧树脂等)挥发，银颗粒被烧结致密，达到密封的效果，同时，此密封材料还起到将阳极电荷引出的作用。
多孔阳极3的材料为锆和钇共掺杂的铈酸钡(BaZr0.1Ce0.7Y0.2O3-δ)、NiO以及造孔剂可溶性淀粉，其中BaZr0.1Ce0.7Y0.2O3-δ的质量百分比为35％-45％，NiO的质量百分比为65％-55％，可溶性淀粉质量百分比为BaZr0.1Ce0.7Y0.2O3-δ和NiO质量和的20％。然后通过直径为13mm的不锈钢模具在100-300MPa，保持1-2min后形成圆片式阳极，在600-1000℃下预烧结1-3h得到圆片式多孔阳极基底。
致密电解质2材料为BaZr0.1Ce0.7Y0.2O3-δ，通过使用浸渍提拉法制备阳极支撑电解质的生胚，该生胚在1300-1500下空气中烧结4-10h，电解质的厚度通过浸渍的次数来控制，其中电解质浆料中BaZr0.1Ce0.7Y0.2O3-δ、三乙醇胺(TEA)、邻苯二甲酸二辛酯(DOP)以及聚乙二醇(PEG)、NiO质量百分数分别为：83％-85％、5.8％-6.5％、5％-5.25％、5％-5.25％以及1％-1.5％，以无水乙醇作为溶剂，每克BaZr0.1Ce0.7Y0.2O3-δ加入4-6mL无水乙醇。
多孔阴极1由BaZr0.1Ce0.7Y0.2O3-δ与LSCF组成的复合阴极，按质量百分数比为BaZr0.1Ce0.7Y0.2O3-δ：LSCF＝25％-40％：75％-60％，称取BaZr0.1Ce0.7Y0.2O3-δ和LSCF，然后将上述复合材料和聚乙烯醇缩丁醛/松油醇混合物(聚乙烯醇缩丁醛：松油醇＝10％-20％：90％-80％)按60％-40％：40％-60％的质量比置于玛瑙研钵中，研磨2-4h后得到均匀无颗粒感阴极浆料。在烧结好后的阳极支撑电解质的中心涂刷3-5次阴极浆料，其中，每涂刷一遍阴极后，置于140℃下烘20min以上。最后将电池放置在900-1000℃中，保温2-4h，得到全电池。
CO2吸附剂优选为Ca(OH)2、NaOH以及KOH中的一种或多种。催化剂优选为铁、钴、镍或铜。如CO2吸附剂选择Ca(OH)2，Ca(OH)2吸收反应所产生的CO2形成CaCO3，避免了CO2对电池的损害。固体物9制备过程：以无水乙醇为溶剂，将催化剂与碳粉末球磨以500r/min，球磨时间为1-3h，球磨期间加入6-8ml的PVB-乙醇溶液(PVB的溶度为6％)；球磨完后置于钠灯下烘干。
一种以碳和水为燃料的中温固体氧化物燃料电池运行方式：将封接好中温固体氧化物燃料电池的反应器，在N2下升温至700℃(通过水蒸气进气管8通入N2，反应器置于电炉中)，然后气氛转为H2，通入H2时间大于30min，再将温度降至室温，往反应空腔6中装入固体物9，由于已经是室温了，装好固体物后再在N2下升温，空气会被排出至系统外，对体系无影响。将装好含有催化剂和CO2吸附剂的固体物9的电池置于电炉中，在N2气氛中升温至700℃，然后液体水12通过蠕动泵进入水蒸气进气导管8，汽化后进入反应空腔6，并与反应空腔6中的含有催化剂和CO2吸附剂的固体物9发生反应，生成H2和CO，因为生成的CO不稳定，继续与水蒸气反应生成CO2和H2，CO2能够对电池造成损害，同时由于生成物CO2被吸附，促进反应往正向进行，即生成H2的一侧，因此，添加CO2吸附剂(Ca(OH)2)，不但能够保护电池，还可以提高阳极气室H2的浓度，提高电池的输出性能。可见添加吸附剂后对整个系统是有利的，既能保护电池又能电池的输出性能，如果不加吸附剂，电池是可以工作，但是时间一长电池的结构会被破坏，而且性能不高。固体物9与水反应生成的燃料气10(根据水煤气法碳与水反应生成氢气，经过气相色谱分析也可证实燃料气为氢气，氢气作为质子导体燃料电池的燃料)经过反应器顶端空腔5后扩散至多孔阳极3，并发生电化学氧化生成质子，并经过致密电解质2达到多孔阴极1，与在多孔阴极1上发生还原反应后生成的氧离子反应生成水(根据质子导体工作的原理，质子与氧离子反应生产水，形成闭合回路，持续发电)。随后，尾气11经过尾气出气导管7排出。通水后待开路电压稳定后再进行电化学测试。
实施例1
按化学计量比，分别称取9.865g BaCO3、0.616g ZrO2、6.024g CeO2、1.129g Y2O3加入球磨罐中，然后加入36mL无水乙醇，以500r/min的转速，球磨6h后，置于钠灯下24h。然后在1150℃，保温10h后得到钙钛矿BaZr0.1Ce0.7Y0.2O3-δ粉末。
多孔阳极基底的制备：称取5.76g的NiO、3g的BaZr0.1Ce0.7Y0.2O3-δ与1.75g可溶性淀粉，36mL的无水乙醇，转速为500r/min，球磨6h，于钠灯下24h，得到混合均匀的阳极粉料，然后在200MPa下保持2min得到圆片式的样品，并在800℃下保温2h，形成多孔的阳极基底。
阳极支撑电解质的制备：采用浸渍法，在阳极支撑体上浸渍电解质层：称取5.00gBaZr0.1Ce0.7Y0.2O3-δ、0.025g NiO、0.36g乙醇胺(TEA)、0.30g邻苯二甲酸二辛酯(DOP)以及0.30g聚乙二醇(PEG)，称取15g的无水乙醇作为溶剂。以500r/min球磨3h。随后，用带有双面胶的玻璃棒黏住阳极基底的一面，另一面朝下浸入电解质浆料中，每浸渍一遍，静待10min，待乙醇溶剂挥发完全后再浸渍第二遍，若浸渍不均匀，可浸渍第三遍。将浸渍好的半电池置于1400℃下烧结6h后得到阳极支撑的电解质。
阴极材料浆料的制备：阴极材料为LSCF和BaZr0.1Ce0.7Y0.2O3-δ，按质量比为7：3混合。将复合材料与聚乙烯醇缩丁醛和松油醇混合物(聚乙烯醇缩丁醛：松油醇＝1：9)按1：1的质量置于玛瑙研钵中，研磨3h后得到均匀无颗粒感阴极浆料。在烧结好后的阳极支撑电解质中心涂刷3次阴极浆料，其中，每涂刷一遍阴极后，置于140℃下烘20min。最后将电池放置在1000℃中，保温2h，得到全电池，电池阴极面积为0.2cm2。
固体物(催化剂和碳材料混合物)的制备：使用电动粉碎机将活性碳粉碎，粉碎后的活性碳置于140℃下24h，烘干待用。球磨罐中加入5g的活性碳粉末，2.5g NiO，以无水乙醇为溶剂，转速500r/min，球磨1h，然后加入8ml的PVB-乙醇溶液(PVB的溶度为6％)，继续球磨1h，置于钠灯下烘干，干燥的过程中，由于PVB会在表面富集，需要不时的搅拌均匀。
反应器上封接电池：在反应器顶端空腔的截面涂上一层密封件4(DAD-87银导电胶，海合成树脂研究所)，然后将电池阳极贴在银导电胶上，涂刷3次，每涂刷一次银浆后，置于140℃下烘20min，使得电池的阳极端固定在外径12mm的反应器的顶端空腔5上。将银线从阳极引出，同时用银线从阴极引出，用于连接电化学工作站(Ivium公司的A32739型电化学工作站)。硅胶软管的一端连接上尾气出气导管7，另一端连接集气袋。
将封接好电池的反应器置于管式电炉内，从室温升温至700℃，升温的过程同时通入N2，在700℃时，将N2换成H2，待电池的开路电压稳定后，停止通入H2，再通入N2，降至室温后，往反应器中装入4g上述含有催化剂和碳材料的固体物9，其中催化剂为NiO，用量为活性炭摩尔百分比的15％，然后往反应器中的两根导气管中塞入适量的高温棉，高温棉是整个过程一直在两根导气管中，以防气压差导致粉末喷出，防止碳粉末喷出，并通入N2，温度升至700℃后采用蠕动泵，与蠕动泵连接的硅胶管一端置于水中，另一端与反应器中的水蒸气进气导管入口连接，控制水流速为0.074mL/min。
将一根银线用银浆连接在电池的多孔阴极1上，另一根银线用银浆连接在多孔阳极3上。测试时，将组装好的反应器以及电池置于管式电炉加热恒温区，在N2气氛下升温至700℃后启动蠕动泵，水的流量为0.074mL/min，用IM6电化学工作站(ZAHNER)测试电池的输出特性，待开路电压稳定后，再进行伏安特性测试。
图2所示为本实施例一种以碳和水为燃料的中温固体氧化物燃料电池在700℃时的功率密度曲线。从电压曲线中可以得出，曲线与左侧的纵坐标的交点为电池的开路电压，其开路电压为0.83V，另一条弧形曲线代表电池的功率密度，从图2中可以看出，700℃时功率密度峰值为32Wm/cm2，电池的开路电压是碳与水发生了反应，原位产生H2燃料，H2扩散至阳极，驱动电池工作，并且发现尾气成分中含有H2、CO、CO2和H2O的成分，其中H2的成分也证明了碳与水发生了反应原位生成了H2，CO2是CO与H2O反应而形成的，生成的CO2无法被利用，且对电池会造成损害，所以实施例2从吸收反应物CO2进行改进。虽然产物含CO2气体，但是实现了直接以碳和水为固体氧化物燃料的燃料。目前固体氧化物燃料电池的燃料为H2、CH4、C3H8或其他烷烃，这些燃料属于化石燃料，因此，本发明提供了一种新型廉价安全的固体氧化物燃料电池的燃料。现有技术中，没有技术公开可以通过碳与水反应原位生成氢气作为质子导体固体氧化物燃料电池的的燃料，并实现电池的工作。
实施例2
按化学计量比，分别称取9.865g BaCO3、0.616g ZrO2、6.024g CeO2、1.129g Y2O3加入球磨罐中，然后加入36mL无水乙醇，以500r/min的转速，球磨6h后，置于钠灯下24h。然后在1150℃，保温10h后得到钙钛矿BaZr0.1Ce0.7Y0.2O3-δ粉末。
多孔阳极基底的制备：称取5.76g的NiO、3g的BaZr0.1Ce0.7Y0.2O3-δ与1.75g可溶性淀粉，36mL的无水乙醇，转速为500r/min，球磨6h，于钠灯下24h，得到混合均匀的阳极粉料，然后在200MPa下保持2min得到圆片式的样品，并在800℃下保温2h，形成多孔的阳极基底。
阳极支撑电解质的制备：采用浸渍法，在阳极支撑体上浸渍电解质层：称取5.00gBaZr0.1Ce0.7Y0.2O3-δ、0.025g NiO、0.36g乙醇胺(TEA)、0.30g邻苯二甲酸二辛酯(DOP)以及0.30g聚乙二醇(PEG)，称取15g的无水乙醇作为溶剂。以500r/min球磨3h。随后，用带有双面胶的玻璃棒黏住阳极基底的一面，另一面朝下浸入电解质浆料中，每浸渍一遍，静待10min，待乙醇溶剂挥发完全后再浸渍第二遍，若浸渍不均匀，可浸渍第三遍。将浸渍好的半电池置于1400℃下烧结6h后得到阳极支撑的电解质。
阴极材料浆料的制备：阴极材料为LSCF和BaZr0.1Ce0.7Y0.2O3-δ的复合材料，按质量比为7：3混合。将复合材料与聚乙烯醇缩丁醛/松油醇混合物(聚乙烯醇缩丁醛：松油醇＝1：9)按1：1的质量置于玛瑙研钵中，研磨3h后得到均匀无颗粒感阴极浆料。在烧结好后的阳极支撑电解质中心涂刷3次阴极浆料，其中，每涂刷一遍阴极后，置于140℃下烘20min。最后将电池放置在1000℃中，保温2h，得到全电池，电池阴极面积为0.2cm2。
固体物(催化剂、碳材料混合物和CO2吸附剂)的制备：使用电动粉碎机将活性碳粉碎，粉碎后的活性碳置于140℃下24h，烘干待用。球磨罐中加入5g的活性碳粉末，称取4.625g的NiO粉末以及22.680g CO2吸附剂Ca(OH)2，加入适量的无水乙醇没过粉末，转速500r/min，球磨1h，然后加入8ml的PVB-乙醇溶液(PVB的溶度为6％)，继续球磨1h，置于钠灯下烘干，干燥的过程中，由于PVB会在表面富集，需要不时的搅拌均匀。
反应器上封接电池：在反应器顶端空腔的截面涂上一层DAD-87(上海合成树脂研究所)银导电胶，然后将电池阳极贴在银导电胶上，涂刷3次，每涂刷一次银浆后，置于140℃下烘20min，使得电池的阳极端固定在外径12mm的反应器顶端空腔上。将银线从阳极引出，同时用银线从阴极引出，用于连接电化学工作站(Ivium公司的A32739型电化学工作站)。硅胶软管的一端连接上尾气出气导管7，另一端连接集气袋将封接好电池的反应器置于通过管式电炉，从室温升温至700℃，升温的过程同时通入N2，在700℃时，将N2换成H2，待电池的开路电压稳定后，停止通入H2，再通入N2，降至室温后，往反应器中装入4g上述混合好的碳材料和催化剂混合物，然后分别往两根导气管中塞入适量的高温棉，整个过程高温棉是一直方在两根导气管中，以防气压差导致粉末喷出，防止碳粉末喷出，并通入N2，温度升至700℃后采用蠕动泵，蠕动的硅胶管一端置于水中，另一端与反应器中的水蒸气进气导管入口连接，水流速为0.074mL/min。
将一根银线用银浆连接在电池的阴极上，另一根银线用银浆连接在阳极与反应器顶端空腔之间的密封件银上。测试时，将组装好的反应器以及电池置于管式电炉加热恒温区，在N2气氛下升温至700℃后启动蠕动泵，水的流量为0.074mL/min，用电化学工作站试电池的输出特性，待开路电压稳定后，再进行伏安特性测试。
图3所示为一种以碳和水为燃料的中温固体氧化物燃料电池，在700℃时的输出性能，其开路电压为0.92V，最大功率为178Wm/cm2，表明在700℃时，碳与水发生了反应，原位产生H2，H2扩散至阳极，驱动电池工作，并且发现尾气成分中含有H2、CO和H2O的成分，其中H2的成分证明了碳与水发生了反应原位生成了H2，且在700℃时的开路电压比实施例1的开路电压高，这是由于CO2吸附剂对CO2吸附的效果，由于碳与水反应产生H2和CO，而产生的CO具有较高的活性，继续与水反应生成CO2和H2，所以CO2吸附剂的添加，不仅可以去除CO2，而且能够促使CO向CO2的转变，使反应向生成H2的方向进行，提高H2的浓度，最终提升电池的性能。
本实施例的主要目的是直接使用碳与水作为燃料，并实现电池连续、稳定的工作，验证了本发明对碳与水燃料的高效利用。只要往该系统添加水，就能源源不断的产生电能，具有简便，安全，高效，成本低，无污染等特点。实现了直接以碳和水为固体氧化物燃料的燃料。目前固体氧化物燃料电池的燃料为H2、CH4、C3H8或其他烷烃，这些燃料属于化石燃料，因此，本发明提供了一种新型廉价安全的固体氧化物燃料电池的燃料。
实施例3
按化学计量比，分别称取9.865g BaCO3、0.616g ZrO2、6.024g CeO2、1.129g Y2O3加入球磨罐中，然后加入36mL无水乙醇，以500r/min的转速，球磨6h后，置于钠灯下24h。然后在1150℃，保温10h后得到钙钛矿BaZr0.1Ce0.7Y0.2O3-δ粉末。
多孔阳极基底的制备：称取5.76g的NiO、3g的BaZr0.1Ce0.7Y0.2O3-δ与1.75g可溶性淀粉，36mL的无水乙醇，转速为500r/min，球磨6h，于钠灯下24h，得到混合均匀的阳极粉料，然后在200MPa下保持2min得到圆片式的样品，并在800℃下保温2h，形成多孔的阳极基底。
阳极支撑电解质的制备：采用浸渍法，在阳极支撑体上浸渍电解质层：称取5.00gBaZr0.1Ce0.7Y0.2O3-δ、0.025g NiO、0.36g乙醇胺(TEA)、0.30g邻苯二甲酸二辛酯(DOP)以及0.30g聚乙二醇(PEG)，称取15g的无水乙醇作为溶剂。以500r/min球磨3h。随后，用带有双面胶的玻璃棒黏住阳极基底的一面，另一面朝下浸入电解质浆料中，每浸渍一遍，静待10min，待乙醇溶剂挥发完全后再浸渍第二遍，若浸渍不均匀，可浸渍第三遍。将浸渍好的半电池置于1400℃下烧结6h后得到阳极支撑的电解质。
阴极材料浆料的制备：阴极材料为LSCF和BaZr0.1Ce0.7Y0.2O3-δ的复合材料，按质量比为6：4混合。将复合材料和聚乙烯醇缩丁醛和松油醇混合物(聚乙烯醇缩丁醛：松油醇＝1：9)按1：1的质量置于玛瑙研钵中，研磨3h后得到均匀无颗粒感阴极浆料。在烧结好后的阳极支撑电解质中心涂刷3次阴极浆料，其中，每涂刷一遍阴极后，置于140℃下烘20min。最后将电池放置在1000℃中，保温2h，得到全电池，电池阴极面积为0.2cm2。
固体物(催化剂、碳材料混合物和CO2吸附剂)的制备：使用电动粉碎机将活性碳粉碎，粉碎后的活性碳置于140℃下24h，烘干待用。球磨罐中加入5g的活性碳粉末，称取4.943g Fe2O3粉末以及22.680g CO2吸附剂Ca(OH)2，加入适量的无水乙醇没过粉末，转速500r/min，球磨1h，然后加入8ml的PVB-乙醇溶液(PVB的溶度为6％)，继续球磨1h，置于钠灯下烘干，干燥的过程中，由于PVB会在表面富集，需要不时的搅拌均匀。
反应器上封接电池：在反应器顶端空腔的截面涂上一层DAD-87(上海合成树脂研究所)银导电胶，然后将电池阳极贴在银导电胶上，涂刷3次，每涂刷一次银浆后，置于140℃下烘20min，使得电池的阳极端固定在外径12mm的反应器顶端空腔上。将银线从阳极引出，同时用银线从阴极引出，用于连接电化学工作站(Ivium公司的A32739型电化学工作站)。硅胶软管的一端连接上尾气出气导管7，另一端连接集气袋将封接好电池的反应器置于通过管式电炉，从室温升温至700℃，升温的过程同时通入N2，在700℃时，将N2换成H2，待电池的开路电压稳定后，停止通入H2，再通入N2，降至室温后，往反应器中装入4g上述混合好的碳材料和催化剂混合物，然后分别往两根导气管中塞入适量的高温棉，整个过程高温棉是一直方在两根导气管中，以防气压差导致粉末喷出，防止碳粉末喷出，并通入N2，温度升至700℃后采用蠕动泵，蠕动的硅胶管一端置于水中，另一端与反应器中的水蒸气进气导管入口连接，水流速为0.074mL/min。
将一根银线用银浆连接在电池的阴极上，另一根银线用银浆连接在阳极与反应器顶端空腔之间的密封件银上。测试时，将组装好的反应器以及电池置于管式电炉加热恒温区，在N2气氛下升温至700℃后启动蠕动泵，水的流量为0.074mL/min，用电化学工作站测试电池的输出特性，待开路电压稳定后，再进行伏安特性测试。
图4所示为一种以碳和水为燃料的中温固体氧化物燃料电池在700℃时的输出性能图，其中以Fe2O3为碳水反应的催化剂，添加CO2吸附剂Ca(OH)2时，其开路电压为0.81V，最大功率为130Wm/cm2，表明在700℃时，碳与水发生了反应，原位产生H2，H2扩散至阳极，驱动电池工作，并且发现尾气成分中含有H2、CO和H2O的成分，其中H2的成分证明了碳与水发生了反应原位生成了氢，且在700℃时的开路电压比实施例1的开路电压高，这是由于CO2吸附剂对CO2的效果，由于碳与水反应产生H2和CO，而产生的CO具有较高的活性，继续与水反应生成CO2和H2，所以CO2吸附剂地添加，不仅可以去除CO2，而且能够促使CO向CO2的转变，使反应向生成H2的方向进行，提高H2的浓度，最终提升电池的性能。实现了直接以碳和水为固体氧化物燃料的燃料。目前固体氧化物燃料电池的燃料为H2、CH4、C3H8或其他烷烃，这些燃料属于化石燃料，因此，本发明提供了一种新型廉价安全的固体氧化物燃料电池的燃料。
实施例4
按化学计量比，分别称取9.865g BaCO3、0.616g ZrO2、6.024g CeO2、1.129g Y2O3加入球磨罐中，然后加入36mL无水乙醇，以500r/min的转速，球磨6h后，置于钠灯下24h。然后在1150℃，保温10h后得到钙钛矿BaZr0.1Ce0.7Y0.2O3-δ粉末。
多孔阳极基底的制备：称取5.76g的NiO、3g的BaZr0.1Ce0.7Y0.2O3-δ与1.75g可溶性淀粉，36mL的无水乙醇，转速为500r/min，球磨6h，于钠灯下24h，得到混合均匀的阳极粉料，然后在200MPa下保持2min得到圆片式的样品，并在800℃下保温2h，形成多孔的阳极基底。
阳极支撑电解质的制备：采用浸渍法，在阳极支撑体上浸渍电解质层：称取5.00gBaZr0.1Ce0.7Y0.2O3-δ、0.025g NiO、0.36g乙醇胺(TEA)、0.30g邻苯二甲酸二辛酯(DOP)以及0.30g聚乙二醇(PEG)，称取15g的无水乙醇作为溶剂。以500r/min球磨3h。随后，用带有双面胶的玻璃棒黏住阳极基底的一面，另一面朝下浸入电解质浆料中，每浸渍一遍，静待10min，待乙醇溶剂挥发完全后再浸渍第二遍，若浸渍不均匀，可浸渍第三遍。将浸渍好的半电池置于1400℃下烧结6h后得到阳极支撑的电解质。
阴极材料浆料的制备：阴极材料为LSCF和BaZr0.1Ce0.7Y0.2O3-δ的复合材料，按质量比为3：1混合。将复合材料和聚乙烯醇缩丁醛和松油醇混合物(聚乙烯醇缩丁醛：松油醇＝1：9)按1：1的质量置于玛瑙研钵中，研磨3h后得到均匀无颗粒感阴极浆料。在烧结好后的阳极支撑电解质中心涂刷3次阴极浆料，其中，每涂刷一遍阴极后，置于140℃下烘20min。最后将电池放置在1000℃中，保温2h，得到全电池，电池阴极面积为0.2cm2。
固体物(催化剂、碳材料混合物和CO2吸附剂)的制备：使用电动粉碎机将活性碳粉碎，粉碎后的活性碳置于140℃下24h，烘干待用。球磨罐中加入5.000g的活性碳粉末，称取4.968g Co3O4粉末以及22.680g CO2吸附剂Ca(OH)2，加入适量的无水乙醇没过粉末，转速500r/min，球磨1h，然后加入8ml的PVB-乙醇溶液(PVB的溶度为6％)，继续球磨1h，置于钠灯下烘干，干燥的过程中，由于PVB会在表面富集，需要不时的搅拌均匀。
反应器上封接电池：在反应器顶端空腔的截面涂上一层DAD-87(上海合成树脂研究所)银导电胶，然后将电池阳极贴在银导电胶上，涂刷3次，每涂刷一次银浆后，置于140℃下烘20min，使得电池的阳极端固定在外径12mm的反应器顶端空腔上。将银线从阳极引出，同时用银线从阴极引出，用于连接电化学工作站(Ivium公司的A32739型电化学工作站)。硅胶软管的一端连接上尾气出气导管7，另一端连接集气袋将封接好电池的反应器置于通过管式电炉，从室温升温至700℃，升温的过程同时通入N2，在700℃时，将N2换成H2，待电池的开路电压稳定后，停止通入H2，再通入N2，降至室温后，往反应器中装入4g上述混合好的碳材料和催化剂混合物，然后分别往两根导气管中塞入适量的高温棉，整个过程高温棉是一直方在两根导气管中，以防气压差导致粉末喷出，防止碳粉末喷出，并通入N2，温度升至700℃后采用蠕动泵，蠕动的硅胶管一端置于水中，另一端与反应器中的水蒸气进气导管入口连接，水流速为0.074mL/min。
将一根银线用银浆连接在电池的阴极上，另一根银线用银浆连接在阳极与反应器顶端空腔之间的密封件银上。测试时，将组装好的反应器以及电池置于管式电炉加热恒温区，在N2气氛下升温至700℃后启动蠕动泵，水的流量为0.074mL/min，用电化学工作站测试电池的输出特性，待开路电压稳定后，再进行伏安特性测试。
图5所示为一种以碳和水为燃料的中温固体氧化物燃料电池在700℃时的输出性能图，一种以碳和水为燃料的中温固体氧化物燃料电池在700℃时，以Co3O4为碳水反应的催化剂，添加CO2吸附剂Ca(OH)2时，其开路电压为0.90V，最大功率为105Wm/cm2，表明在700℃时，碳与水发生了反应，原位产生H2，H2扩散至阳极，驱动电池工作，并且发现尾气成分中含有H2、CO和H2O的成分，其中H2的成分证明了碳与水发生了反应原位生成了H2，且在700℃时的开路电压比实施例1的开路电压高，这是由于CO2吸附剂对CO2吸附的效果，由于碳与水反应产生H2和CO，而产生的CO具有较高的活性，继续与水反应生成CO2和H2，所以CO2吸附剂的添加，不仅可以去除CO2，而且能够促使CO向CO2的转变，使反应向生成H2的方向进行，提高H2的浓度，最终提升电池的性能。实现了直接以碳和水为固体氧化物燃料的燃料。目前固体氧化物燃料电池的燃料为H2、CH4、C3H8或其他烷烃，这些燃料属于化石燃料，因此，本发明提供了一种新型廉价安全的固体氧化物燃料电池的燃料。
实施例5
按化学计量比，分别称取9.865g BaCO3、0.616g ZrO2、6.024g CeO2、1.129g Y2O3加入球磨罐中，然后加入36mL无水乙醇，以500r/min的转速，球磨6h后，置于钠灯下24h。然后在1150℃，保温10h后得到钙钛矿BaZr0.1Ce0.7Y0.2O3-δ粉末。
多孔阳极基底的制备：称取5.76g的NiO、3g的BaZr0.1Ce0.7Y0.2O3-δ与1.75g可溶性淀粉，36mL的无水乙醇，转速为500r/min，球磨6h，于钠灯下24h，得到混合均匀的阳极粉料，然后在200MPa下保持2min得到圆片式的样品，并在800℃下保温2h，形成多孔的阳极基底。
阳极支撑电解质的制备：采用浸渍法，在阳极支撑体上浸渍电解质层：称取5.00gBaZr0.1Ce0.7Y0.2O3-δ、0.025g NiO、0.36g乙醇胺(TEA)、0.30g邻苯二甲酸二辛酯(DOP)以及0.30g聚乙二醇(PEG)，称取15g的无水乙醇作为溶剂。以500r/min球磨3h。随后，用带有双面胶的玻璃棒黏住阳极基底的一面，另一面朝下浸入电解质浆料中，每浸渍一遍，静待10min，待乙醇溶剂挥发完全后再浸渍第二遍，若浸渍不均匀，可浸渍第三遍。将浸渍好的半电池置于1400℃下烧结6h后得到阳极支撑的电解质。
阴极材料浆料的制备：阴极材料为LSCF和BaZr0.1Ce0.7Y0.2O3-δ的复合材料，按质量比为7：3混合。将复合材料和聚乙烯醇缩丁醛和松油醇混合物(聚乙烯醇缩丁醛：松油醇＝1：9)按1：1的质量置于玛瑙研钵中，研磨3h后得到均匀无颗粒感阴极浆料。在烧结好后的阳极支撑电解质中心涂刷3次阴极浆料，其中，每涂刷一遍阴极后，置于140℃下烘20min。最后将电池放置在1000℃中，保温2h，得到全电池，电池阴极面积为0.2cm2。
固体物(催化剂、碳材料混合物和CO2吸附剂)的制备：使用电动粉碎机将活性碳粉碎，粉碎后的活性碳置于140℃下24h，烘干待用。球磨罐中加入5g的活性碳粉末，称取4.968g CuO粉末以及22.680g CO2吸附剂Ca(OH)2，加入适量的无水乙醇没过粉末，转速500r/min，球磨1h，然后加入8ml的PVB-乙醇溶液(PVB的溶度为6％)，继续球磨1h，置于钠灯下烘干，干燥的过程中，由于PVB会在表面富集，需要不时的搅拌均匀。
反应器上封接电池：在反应器顶端空腔的截面涂上一层DAD-87(上海合成树脂研究所)银导电胶，然后将电池阳极贴在银导电胶上，涂刷3次，每涂刷一次银浆后，置于140℃下烘20min，使得电池的阳极端固定在外径12mm的反应器顶端空腔上。将银线从阳极引出，同时用银线从阴极引出，用于连接电化学工作站(Ivium公司的A32739型电化学工作站)。硅胶软管的一端连接上尾气出气导管7，另一端连接集气袋，将封接好电池的反应器置于通过管式电炉，从室温升温至700℃，升温的过程同时通入N2，在700℃时，将N2换成H2，待电池的开路电压稳定后，停止通入H2，再通入N2，降至室温后，往反应器中装入4g上述混合好的碳材料和催化剂混合物，然后分别往两根导气管中塞入适量的高温棉，整个过程高温棉是一直方在两根导气管中，以防气压差导致粉末喷出)，防止碳粉末喷出，并通入N2，温度升至700℃后采用蠕动泵，蠕动的硅胶管一端置于水中，另一端与反应器中的水蒸气进气导管入口连接，水流速为0.074mL/min。
将一根银线用银浆连接在电池的阴极上，另一根银线用银浆连接在阳极与反应器顶端空腔之间的密封件银上。测试时，将组装好的反应器以及电池置于管式电炉加热恒温区，在N2气氛下升温至700℃后启动蠕动泵，水的流量为0.074mL/min，用电化学工作站测试电池的输出特性，待开路电压稳定后，再进行伏安特性测试。
图6所示为一种以碳和水为燃料的中温固体氧化物燃料电池在700℃时的输出性能图，其开路电压为0.89V，最大功率为56Wm/cm2，表明在700℃时，碳与水发生了反应，原位产生H2，H2扩散至阳极，驱动电池工作，并且发现尾气成分中含有H2、CO和水的成分，其中H2的成分证明了碳与水发生了反应原位生成了H2，且在700℃时的开路电压比实施例1的开路电压高，这是由于CO2吸附剂对CO2吸附的效果，由于碳与水反应产生H2气和CO，而产生的CO具有较高的活性，继续与水反应生成CO2和H2，所以CO2吸附剂的添加，不仅可以去除CO2，而且能够促使CO向CO2的转变，使反应向生成H2的方向进行，提高H2的浓度，最终提升电池的性能。实现了直接以碳和水为固体氧化物燃料的燃料。目前固体氧化物燃料电池的燃料为H2、CH4、C3H8或其他烷烃，这些燃料属于化石燃料，因此，本发明提供了一种新型廉价安全的固体氧化物燃料电池的燃料。
本发明的实施方式并不受上述实施案例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种以碳和水为燃料的中温固体氧化物燃料电池，包括多孔阴极、致密电解质、多孔阳极、反应器以及热源；多孔阳极为阳极支撑体，多孔阳极表面设有致密电解质，致密电解质另一侧设有多孔阴极；其特征在于，所述中温固体氧化物燃料电池还包括固体物，并连接水源；反应器由相互连通的顶端空腔和反应空腔组成；多孔阳极通过密封件封接至反应器的顶端空腔上；反应空腔中盛装固体物，固体物至少包括催化剂和碳材料；催化剂为过渡金属氧化物；水蒸气进气导管的一端与反应空腔底部相接通，另一端外接水源，反应空腔置于热源中；尾气出气导管从外伸入反应空腔延伸至顶端空腔；所述的致密电解质材料为BaZr0.1Ce0.7Y0.2O3-δ。
2.根据权利要求1所述的以碳和水为燃料的中温固体氧化物燃料电池，其特征在于：所述的固体物包括催化剂、碳材料以及CO2吸附剂组成；CO2吸附剂为Ca(OH)2、NaOH以及KOH中的一种或多种；所述的过渡金属氧化物包括NiO、Fe2O3、Co3O4和CuO中的一种或多种。
3.根据权利要求2所述的以碳和水为燃料的中温固体氧化物燃料电池，其特征在于：所述的催化剂、碳材料以及CO2吸附剂的摩尔比为0.05-0.3：0.05-1：0.01-1。
4.根据权利要求1-3任一项所述的以碳和水为燃料的中温固体氧化物燃料电池，其特征在于：所述的碳材料为活性碳、石墨粉或炭黑，为粉状。
5.根据权利要求1所述的以碳和水为燃料的中温固体氧化物燃料电池，其特征在于：热源为电炉；所述的尾气出气导管在顶端空腔的开口端部距离多孔阳极为0.5-3mm。
6.根据权利要求1所述的以碳和水为燃料的中温固体氧化物燃料电池，其特征在于：所述的水蒸气进气导管接通蠕动泵的软管，蠕动泵的软管连接蠕动泵。
7.根据权利要求1所述的以碳和水为燃料的中温固体氧化物燃料电池，其特征在于：所述的顶端空腔的外径大于阳极支撑体的直径，外径为11-13mm，内径为10-12mm，高度为1cm；所述的反应空腔的外径为27-30mm，内径为26-29mm，高度为18-21mm；
所述的多孔阳极的厚度为0.9-1mm，直径为9.5-10.0mm。
8.根据权利要求1所述的以碳和水为燃料的中温固体氧化物燃料电池，其特征在于：尾气出气导管和水蒸气进气导管为耐高温抗氧化材料所制成的中空管；密封件为DAD-87银导电胶。
9.根据权利要求8所述的以碳和水为燃料的中温固体氧化物燃料电池，其特征在于：所述的耐高温抗氧化材料为石英。
10.根据权利要求1所述的以碳和水为燃料的中温固体氧化物燃料电池，其特征在于：所述的多孔阳极的材料为锆和钇共掺杂的铈酸钡、NiO以及造孔剂可溶性淀粉，其中锆和钇共掺杂的铈酸钡的质量百分比为35％-45％，NiO的质量百分比为65％-55％，可溶性淀粉质量百分比为BaZr0.1Ce0.7Y0.2O3-δ和NiO质量和的20-25％；
所述的多孔阴极由BaZr0.1Ce0.7Y0.2O3-δ与LSCF组成的复合阴极，BaZr0.1Ce0.7Y0.2O3-δ和LSCF质量百分数比为25％-40％：75％-60％。
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