CN1929172A - 一种使用棒状或粉末状碳燃料的碳燃料电池 - Google Patents

一种使用棒状或粉末状碳燃料的碳燃料电池 Download PDF

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Abstract

一种使用棒状或粉末状碳燃料的碳燃料电池，本电池采用多孔镍管反应器作为容器，其内盛装做为电解质的熔融碳酸盐，同时多孔镍管内壁做为电池的阴极，以棒状或粉末状碳燃料的碳燃料电池为阳极。以棒状碳燃料做为阳极时，阳极直接插于熔融电解质中。以粉末状或颗粒状碳燃料做为阳极时，粉末状或颗粒状碳燃料分散在熔融电解质中，燃料和熔融电解质的混合物呈浆状，与镍片集流器共同构成电池的阳极。参比电极采用双舱式进气结构。本发明的碳燃料电池以廉价的碳材料为原料，以熔融碳酸盐为电解质，通过电化学方式获得稳定高效的能量输出，同时生产纯净的二氧化碳气体，效率高达70％－80％。

Description

一种使用棒状或粉末状碳燃料的碳燃料电池
                         技术领域
本发明涉及一种碳燃料电池，特别涉及一种使用棒状或粉末状碳燃料的碳燃料电池。
                         背景技术
碳燃料电池(DCFC)主要具有以下优点：第一，直接而高效利用了化石燃料中碳的能量；第二，碳燃料电池的理论热效率为100％，熵变为0；第三，碳的进料和产出的二氧化碳集成在一个单元里，并且容易收集。直接碳燃料电池的碳源广泛，可以来自石油裂解中的积碳、煤炭以及生物碳等。
我国是世界产煤第一大国，同时也是用煤大国，高效清洁的碳燃料电池必将对我国的能源和环保产生重要的影响。但到目前为止，关于碳燃料电池的报道很少，碳燃料电池有待于进一步的研究和应用。
                         发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种新型的碳燃料电池，本发明的碳燃料电池以廉价的碳材料为原料，以熔融碳酸盐为电解质，通过电化学方式获得稳定高效的能量输出，同时生产纯净的二氧化碳气体。
本发明的目的是提供一种使用棒状或粉末状碳燃料的碳燃料电池。
本发明的一种使用棒状或粉末状碳燃料的碳燃料电池，采用多孔镍管反应器作为容器，其内盛装作为电解质的熔融碳酸盐，同时多孔镍管内壁做为电池的阴极。
本发明的碳燃料电池以棒状或粉末状碳燃料的碳燃料电池为阳极。以棒状碳燃料做为阳极，阳极直接插于熔融电解质中。
以粉末状或颗粒状碳燃料做为阳极，粉末状或颗粒状碳燃料分散在熔融电解质中，燃料和熔融电解质的混合物呈浆状，与镍片集流器共同构成电池的阳极。
碳燃料电池多孔镍管采用不锈钢法兰密封，通过导线将法兰的紧固螺钉与电化学仪器或负载相连，构成电流回路或者测量回路。
本发明的碳燃料电池参比电极优选为黄金电极，采用双舱式进气结构。
碳燃料电池所述黄金电极由一镍棒和固定于镍棒尾端的一个黄金小圆饼组成，此黄金电极放置于一个由不锈钢管为材料的支架内，在不锈钢管的最上端和上半部分别罩有一个空心钢罩，两个钢罩的侧面均开有一小孔并由一不锈钢管垂直导出，第一个钢罩上端密封，下端通过其内侧和不锈钢管顶端的外侧螺纹固定，并在钢罩上端和下端都用修补剂密封，在第二个钢罩下方的不锈钢支架侧壁开有一小孔，支架外面套有一陶瓷管，第二个钢罩上端同不锈钢管通过螺纹固定并用修补剂密封，下端开孔，孔的直径与紧贴其下方的陶瓷管相同，将其与陶瓷管连接密封，陶瓷管的下端与不锈钢支架密封，在不锈钢支架的最下端与一底端封闭的陶瓷管相接，并在陶瓷管底部开有一微孔，支架和陶瓷管的连接处套有一用于密封的陶瓷管。
所述参比电极采用CO2和O2混合气体为参比气体。
参比电极采用双舱式结构便于空气和二氧化碳的流动，陶瓷管底部的微孔限制扩散。
本发明的对电极，也称为辅助电极，主要有3方面的作用：
(1)用来通过电流，实现研究电极的极化
(2)在该DCFC中，对电极同时是电池的阴极，发生电极反应。
(3)对电极采用一端封闭的多孔镍管反应器，具有盛装电解质和支撑工作电极和参比电极的作用。
本发明的工作原理：
1.棒状碳材料阳极：在该DCFC中，使用熔融碳酸盐做为电解质，CO3 2-在其中扩散，实现电荷的传导。使用棒状碳材料做为电池的阳极(或工作电极，研究电极)材料，发生碳的氧化反应 。采用一端封闭的多孔镍管反应器做为电池的阴极(或对电极，辅助电极)，空气从反应器外壁扩散进入，发生反应 。阴阳两极之间连接负载构成回路。采用黄金电极作为参比电极，与上述两个电极构成三电极体系，各电极通过导线与电化学工作站相连结，使用电化学工作站对体系进行电化学测量。
2.粉末或颗粒状碳材料阳极：在该DCFC中，使用熔融碳酸盐做为电解质，CO3 2-在其中扩散，实现电荷的传导。粉末或颗粒状碳材料分散在熔融电解质中，混合物呈浆状，使用方形镍片做为集流器收集碳材料氧化放出的电子，该部分做为电池的阳极，发生碳的氧化反应 。采用一端封闭的多孔镍管反应器做为电池的阴极(或对电极，辅助电极)，空气从反应器外壁扩散进入，发生反应 。阴阳两极之间连接负载构成回路。采用黄金电极作为参比电极，与上述两个电极构成三电极体系，各电极通过导线与电化学工作站相连结，使用电化学工作站对体系进行电化学测量。
本发明消耗的原料是炭，炭可以是任何的固态形式。
随着石油资源的日趋紧缺和全球二氧化碳温室效应，提高能源过程的能效呼声益高。但目前燃煤的效率十分低下(仅3％)。高效地利用煤炭不仅可以节约化石燃料的使用量，还可以减少温室气体排放量。本专利构建的碳燃料电池可以直接利用棒状或粉末状的碳为燃料，电效率高达70％-80％，碳的进料和产出的二氧化碳集成在一个单元里容易收集。因此必然具有非常广阔的市场前景。
                         附图说明
图1使用棒状碳材料做为阳极的碳燃料电池
其中：1-研究电极，2-参比电极，3-对电极
图2使用粉末或颗粒状碳材料做为阳极的碳燃料电池
其中：1-研究电极，2-参比电极，3-对电极，4-镍片集流器
图3参比电极结构示意图
其中：1-导线，2-进气仓，3-出气仓，4-不锈钢管，
      5-陶瓷管，6-陶瓷管，7-黄金电极，8-微孔
                        具体实施方式
采用多孔镍管反应器作为容器，其内盛装摩尔比1∶1∶1为的碳酸钠、碳酸钾和碳酸锂三者的熔融混合物，以棒状碳燃料做为阳极，阳极直接插于熔融电解质中，参比电极为黄金电极，采用双舱式进气结构，参比气体为CO2和O2混合气体，比例为2∶1，出口压力0.4MPa。多孔镍管采用不锈钢法兰密封，通过导线将法兰的紧固螺钉与电化学仪器或负载相连，构成电流回路或者测量回路。
反应釜从室温27℃加热到550℃，升温速率100℃/h。空气进气总量的压力为0.188MPa，流量为434.4ml/min。电池出口反应剩余气体流量为30ml/min，放空经过参比电极的混合气体流量为87.5ml/min。

Claims (7)

1.一种使用棒状或粉末状碳燃料的碳燃料电池，其特征是采用多孔镍管反应器作为容器，其内盛装作为电解质的熔融碳酸盐，同时多孔镍管内壁做为电池的阴极。
2.如权利要求1所述的碳燃料电池，其特征是以棒状碳燃料做为阳极，阳极直接插于熔融电解质中。
3.如权利要求1所述的碳燃料电池，其特征是以粉末状或颗粒状碳燃料做为阳极，粉末状或颗粒状碳燃料分散在熔融电解质中，燃料和熔融电解质的混合物呈浆状，与镍片集流器共同构成电池的阳极。
4.如权利要求2或3所述的碳燃料电池，其特征是多孔镍管采用不锈钢法兰密封，通过导线将法兰的紧固螺钉与电化学仪器或负载相连，构成电流回路或者测量回路。
5.如权利要求4所述的碳燃料电池，其特征是参比电极为黄金电极，采用双舱式进气结构。
6.如权利要求5所述的碳燃料电池，其特征是所述黄金电极由一镍棒和固定于镍棒尾端的一个黄金小圆饼组成，此黄金电极放置于一个由不锈钢管为材料的支架内，在不锈钢管的最上端和上半部分别罩有一个空心钢罩，两个钢罩的侧面均开有一小孔并由一不锈钢管垂直导出，第一个钢罩上端密封，下端通过其内侧和不锈钢管顶端的外侧螺纹固定，并在钢罩上端和下端都用修补剂密封，在第二个钢罩下方的不锈钢支架侧壁开有一小孔，支架外面套有一陶瓷管，第二个钢罩上端同不锈钢管通过螺纹固定并用修补剂密封，下端开孔，孔的直径与紧贴其下方的陶瓷管相同，将其与陶瓷管连接密封，陶瓷管的下端与不锈钢支架密封，在不锈钢支架的最下端与一底端封闭的陶瓷管相接，并在陶瓷管底部开有一微孔，支架和陶瓷管的连接处套有一用于密封的陶瓷管。
7.如权利要求6所述的碳燃料电池，其特征是所述参比电极采用CO2和O2混合气体为参比气体。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101237062B (zh) * 2008-01-30 2011-06-22 哈尔滨工程大学 一种提高炭粉在熔融碳酸盐电解质中分散性能的方法
CN102361092A (zh) * 2011-10-10 2012-02-22 哈尔滨工程大学 含有变价金属氧化物的熔融碳酸盐电解液及在炭燃料电池中的应用
CN114361533A (zh) * 2022-01-10 2022-04-15 华北科技学院(中国煤矿安全技术培训中心) 一种具备三电极结构的碳燃料电池系统的测试方法

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