專利名稱:一種新型直接碳燃料電池技術(shù)及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種碳燃料電池技術(shù)和裝置,特別涉及一種新型直接碳燃料電池技術(shù)及其
直O(jiān)
背景技術(shù):
近年來,由于以石油為代表的化石能源原材料價格的持續(xù)增長,各國政府都深刻認識到對化石能源的高度依賴是一種非可持續(xù)性戰(zhàn)略,這些資源不僅將被開發(fā)殆盡,其作為燃料產(chǎn)生的(X)2更在不斷加劇全球氣候的溫室效應(yīng)。為此,許多國家投入大量科研經(jīng)費,研究新型的可再生能源或者開發(fā)更高效利用現(xiàn)有能源資源的方法。就中國的基本國情而言,我國煤炭儲量排名世界第三,其作為一次能源主要被利用于火力發(fā)電。但由于存在煤炭燃燒這一過程,導致這種能源利用方式不僅效率有限,而且會產(chǎn)生大量溫室氣體co2。因此,人們有必要研究煤炭發(fā)電的新途徑。直接碳燃料電池是一種電化學能量電池。它以碳為原料,直接將碳的化學能轉(zhuǎn)化為電能;而不是應(yīng)用傳統(tǒng)的工藝通過碳的燃燒將其化學能轉(zhuǎn)化為熱能,再通過汽輪機將熱能轉(zhuǎn)化為機械能,進而帶動發(fā)電機生成電能。因為不經(jīng)歷熱能的轉(zhuǎn)化,因此沒有卡諾循環(huán)對效率上限的約束。理論上,直接碳燃料電池的發(fā)電效率能達到10096,這與現(xiàn)有的火力發(fā)電30%左右的效率相比,可以說是革命性的提高。另外,由于煤炭是固體,氧化產(chǎn)物是(X)2 氣體,直接碳燃料電池的設(shè)計有利于兩者的分離和CO2氣體的回收,從而達到減排甚至零排放CO2溫室氣體的效果。實際上早在19世紀末,人們就嘗試通過直接氧化煤來發(fā)電,但在電極材料、電解質(zhì)污染等方面遇到了難題,并且由于當時火力發(fā)電效率的提高而終止了研究。進入新世紀以來,隨著太陽能,生物質(zhì)能,風能等新型能源和可再生能源研究的流行,燃料電池也重新進入人們的視野。隨著研究的深入,燃料電池的種類也日趨廣泛,發(fā)展出堿性燃料電池(AFC)、磷酸燃料電池(PAFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)、質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)、固體氧化物燃料電池(SOFC)、直接甲醇燃料電池(DMFC)等多種類型。這些燃料電池多以氣體和液體為燃料,與直接碳燃料電池利用固體碳為燃料相比,在燃料的儲存和輸送上都存在較大劣勢,因此直接碳燃料電池成為燃料電池研究的熱點?,F(xiàn)有的直接碳燃料電池技術(shù)都是由電極和電解質(zhì)作支撐,將燃料碳放在其上或者其中,電池工作溫度在500-1000°C,而出于減小內(nèi)阻消耗的考慮,電極和電解質(zhì)層的厚度都是越薄越好,這就對電極和電解質(zhì)的材料強度提出了很高的要求,限制了可選材料的范圍, 阻礙了這一技術(shù)的發(fā)展。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺陷,提供一種新型直接碳燃料電池技術(shù)及其裝置,將燃料碳裝在容器中,在其上方(或者側(cè)面)組裝電解質(zhì)和電極,有效地緩解了該技術(shù)對材料強度的要求限制,可大力促進直接碳燃料電池技術(shù)的進一步發(fā)展。其技術(shù)方案是以平板型電極、平板型阻氧電解質(zhì)層和坩堝構(gòu)建,碳酸鹽電解質(zhì)和燃料碳混合后置于坩堝中組成反應(yīng)裝置,其中,陰極在上(或者內(nèi)部),其下是電解質(zhì),分為兩種,隔氧電解質(zhì)層與陰極片附著在一起,碳酸鹽電解質(zhì)與燃料碳混合在最下面(或者外部),燃料碳作為陽極,整個電池體系安裝在陶瓷容器內(nèi)的燃料電池裝置。上述的電解質(zhì)是多層的,而且是多相的;隔氧電解質(zhì)層與陰極附著,碳酸鹽電解質(zhì)與陽極材料充分混合。上述的陰極片采用鑭鍶錳氧化物(LSM),鑭鍶鈷鐵氧化物(LSCF),氧化鎳(NiO)等一種或幾種的混合物制成。上述的隔氧電解質(zhì)層是中偏低溫區(qū)性能良好的氧化釤參雜的氧化鈰(SDC),氧化鈧穩(wěn)定的氧化鋯(SSZ),氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯(YSZ),氧化釓參雜的氧化鈰(GDC)等一種或幾種的混合物制成;碳酸鹽電解質(zhì)的組成是碳酸鋰、碳酸鉀和氧化鋁按質(zhì)量比(1-1. 2) (1-1.5) :1進行均勻混合。上述的陽極是燃料碳與所述碳酸鹽電解質(zhì)按質(zhì)量比1:2-2:1進行均勻混合,再與適量淀粉混合。上述的燃料碳是顆?;蛘叻勰┑奶亢?,活性碳,焦炭,精煤等中的一種或幾種組成。一種新型直接碳燃料電池技術(shù),其特征是組裝方法包括如下步驟
(1)材料預(yù)處理先用壓制燒結(jié)的方法制備陰極片;再將固體氧化物粉末配制成漿狀, 采用絲網(wǎng)印刷的方法將固體氧化物涂抹在陰極片的一側(cè),烘干并燒結(jié),形成一層致密的電解質(zhì)隔氧層;接著將燃料碳與混合好的碳酸鹽放入球磨機進行充分混合,得到均勻的混合物;
(2)電池的組裝將電流收集導線通過導電膠附著在坩堝和陰極片上,自下而上依次放入陽極材料混合物,碳酸鹽電解質(zhì),附著有隔氧層的陰極片,其中,隔氧層一面與碳酸鹽接觸,固定后,電池組裝完畢,整個電池置于爐中,工作溫度為500-900°C。電池工作時,發(fā)生的反應(yīng)為陽極C+2C032、30)2+4e-
陰極02+4e_0202- 202-+2C0202C032_(在碳酸鹽電解質(zhì)中) 總反應(yīng):C+02aC02 (E0=L 02V, 750°C時)
首先氧氣在陰極上得電子生成氧離子,通過隔氧層和電解質(zhì)層的傳導在電解質(zhì)層中與碳酸鹽熔融狀態(tài)下產(chǎn)生的二氧化碳結(jié)合成碳酸根離子,再與燃料碳反應(yīng)生成二氧化碳,并失去電子。產(chǎn)生的二氧化碳可繼續(xù)結(jié)合氧離子使反應(yīng)繼續(xù)下去。多余的二氧化碳可從坩堝邊緣釋放出去。本發(fā)明的有益效果是(1)本發(fā)明開發(fā)出了一種新型的直接碳燃料電池結(jié)構(gòu),填補了國內(nèi)空白;( 能量轉(zhuǎn)化率高,理論效率為10096,遠高于現(xiàn)有火力發(fā)電的能量利用率;(3)與之前的同類專利相比,在600-650°C即可達到較高的70-80mW/cm2功率輸出,主工作溫度區(qū)間有所降低。
圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖2碳酸鹽與炭黑按質(zhì)量比1:1混合時605°C下的燃料電池性能曲線; 圖3碳酸鹽與炭黑按質(zhì)量比1:1混合時620°C下的燃料電池性能曲線; 圖4碳酸鹽與炭黑按質(zhì)量比1:1混合時640°C下的燃料電池性能曲線;圖5碳酸鹽與炭黑按質(zhì)量比1:1混合時645°C下的燃料電池性能曲線; 圖6碳酸鹽與炭黑按質(zhì)量比2:1混合時765°C下的燃料電池性能曲線; 圖7碳酸鹽與炭黑按質(zhì)量比2:1混合時770°C下的燃料電池性能曲線; 圖8碳酸鹽與炭黑按質(zhì)量比2:1混合時790°C下的燃料電池性能曲線; 圖9碳酸鹽與炭黑按質(zhì)量比2:1混合時800°C下的燃料電池性能曲線; 圖10碳酸鹽與炭黑按質(zhì)量比2:1混合時的綜合燃料電池性能曲線; 上圖中(1)陰極導線;(2)陰極電流收集器;(3)隔氧電解質(zhì)層;(4)碳酸鹽電解質(zhì)與燃料碳混合物;(5)陽極導線;(6)陰極催化極板;(7)碳酸鹽電解質(zhì)層;( 陶瓷坩堝;(9) 陽極電流收集器。
具體實施例方式
本發(fā)明主要利用炭黑,活性炭,焦炭為燃料,其它碳源如煤炭,木炭,生物質(zhì)碳等也可利用,本發(fā)明的燃料電池裝置采用平板型設(shè)計,采用陰極在上,陽極在下的結(jié)構(gòu),同時應(yīng)用了多電解質(zhì)層以稀土氧化物混合物為陰極,固體氧化物為隔氧的電解質(zhì)層,碳酸鹽為電解質(zhì),燃料碳為陽極,整個電池裝置搭建在陶瓷坩堝上。電池的工作溫度區(qū)間較寬,在中溫區(qū)都可發(fā)電。下面結(jié)合附圖1及發(fā)明人給出的具體實施例對發(fā)明的技術(shù)進行進一步闡述,需要說明的是本發(fā)明專利要保護的范圍不只限于下面給出的具體實施例,而是這一整套的技術(shù)和裝置結(jié)構(gòu)本身。由附圖1可知,通過中間的固體氧化物構(gòu)成的隔氧電解質(zhì)層(3),將本發(fā)明的燃料電池裝置分為陰極區(qū)的上半部分和陽極區(qū)的下半部分。整個燃料電池裝置搭建在陶瓷坩堝 (7)上。陰極部分包括陰極催化極板(6),陰極電流收集器( 和陰極導線(1)三部分。陽極部分包括碳酸鹽電解質(zhì)層(7),碳酸鹽與燃料碳混合物(4),陽極電流收集器 (9)三部分。通過壓制燒結(jié)法將陰極催化材料加工成陰極催化板(6),其微觀結(jié)構(gòu)是多孔的,平面面積為l_3cm2左右,厚度在0. 1-0. 2mm之間。用絲網(wǎng)印刷法或者選涂法在陰極催化板的一側(cè)涂上一層事先配好的固體氧化物料漿,然后干燥并燒結(jié)成致密的隔氧電解質(zhì)層(3)。利用球磨機將碳酸鋰,碳酸鉀和氧化鋁按質(zhì)量比1-1. 2:1-1. 5:1球磨均勻混合, 得到混合碳酸鹽,作為碳酸鹽電解質(zhì)層。再利用球磨機將上述碳酸和燃料碳(以炭黑為例)按質(zhì)量比2:1-1:2球磨均勻混合,得到碳酸鹽電解質(zhì)與燃料碳混合物。通過導電膠或?qū)щ姖{將陰極導線粘在陰極催化板的另一側(cè),將陽極導線粘在陶瓷坩堝的內(nèi)壁上,加熱使之固化成電流收集器。本實施例的燃料電池裝置通過以下方式組裝
向粘好導線的陶瓷坩堝中加入碳酸鹽與燃料碳的混合物,然后在上面覆蓋一層碳酸鹽電解質(zhì)。將粘好導線的陰極片壓在碳酸鹽電解質(zhì)層上,使隔氧電解質(zhì)層與之緊密接觸,然后固定。燃料電池裝置組裝完畢。將組裝好的燃料電池裝置放置于馬弗爐中,陰極和陽極導線連接好電化學性能表證儀器,即可開始測試燃料電池性能。 附圖2-10給出了本發(fā)明的直接碳燃料電池裝置在不同條件下的性能表征曲線 (燃料碳以炭黑為實施例),需要聲明的是本發(fā)明所使用的燃料碳不只限于實施例所給出的炭黑,還包括之前權(quán)利要求書中所列的其他碳源。
權(quán)利要求
1.一種新型直接碳燃料電池裝置,以平板型電極、平板型阻氧電解質(zhì)層和坩堝構(gòu)建, 碳酸鹽電解質(zhì)和燃料碳混合后置于坩堝中組成反應(yīng)裝置,其特征是陰極在上,其下是電解質(zhì),隔氧電解質(zhì)層與陰極片附著在一起,碳酸鹽電解質(zhì)與燃料碳混合在最下面,燃料碳作為陽極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型直接碳燃料電池裝置,其特征是所述的電解質(zhì)是多層的,而且是多相的;隔氧電解質(zhì)層與陰極附著,碳酸鹽電解質(zhì)與陽極材料充分混合。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型直接碳燃料電池裝置,其特征是所述的陰極片采用鑭鍶錳氧化物,鑭鍶鈷鐵氧化物或氧化鎳的一種或幾種的混合物制成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型直接碳燃料電池裝置,其特征是所述的隔氧電解質(zhì)層是中偏低溫區(qū)性能良好的氧化釤參雜的氧化鈰,氧化鈧穩(wěn)定的氧化鋯,氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯或氧化釓參雜的氧化鈰的一種或幾種的混合物制成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型直接碳燃料電池裝置,其特征是所述的碳酸鹽電解質(zhì)的組成是碳酸鋰、碳酸鉀和氧化鋁按質(zhì)量比(1-1. 2) (1-1. 5) :1進行均勻混合。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型直接碳燃料電池裝置,其特征是所述的陽極是燃料碳與所述碳酸鹽電解質(zhì)按質(zhì)量比1:2-2:1進行均勻混合,再與適量淀粉混合。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型直接碳燃料電池裝置,其特征是所述的燃料碳是顆粒或者粉末的炭黑,活性碳,焦炭,精煤等中的一種或幾種組成。
8.一種新型直接碳燃料電池技術(shù),其特征是組裝方法包括如下步驟(1)材料預(yù)處理先制備陰極片;再將固體氧化物粉末配制成漿狀,將固體氧化物涂抹在陰極片的一側(cè),烘干并燒結(jié),形成一層致密的電解質(zhì)隔氧層;接著將燃料碳與混合好的碳酸鹽放入球磨機進行充分混合,得到均勻的混合物;(2)電池的組裝將電流收集導線通過導電膠附著在坩堝和陰極片上,自下而上依次放入陽極材料混合物,碳酸鹽電解質(zhì),附著有隔氧層的陰極片,其中,隔氧層一面與碳酸鹽接觸,固定后,電池組裝完畢,整個電池置于爐中,工作溫度為500-900°C。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種直接碳燃料電池技術(shù)和裝置。本發(fā)明主要利用炭黑,活性炭,焦炭為燃料,其它碳源如煤炭,木炭,生物質(zhì)碳等也可利用,本發(fā)明的燃料電池裝置采用平板型設(shè)計,采用陰極在上,陽極在下的結(jié)構(gòu),同時應(yīng)用了多電解質(zhì)層以稀土氧化物混合物為陰極,固體氧化物為隔氧的電解質(zhì)層,碳酸鹽為電解質(zhì),燃料碳為陽極,整個電池裝置搭建在陶瓷坩堝上。電池的工作溫度區(qū)間較寬,在中溫區(qū)都可發(fā)電。其效果是(1)本發(fā)明開發(fā)出了一種新型的直接碳燃料電池結(jié)構(gòu),填補了國內(nèi)空白;(2)能量轉(zhuǎn)化率高,理論效率為100%,遠高于現(xiàn)有火力發(fā)電的能量利用率;(3)與之前的同類專利相比,在600-650℃即可達到較高的70-80mW/cm2功率輸出,主工作溫度區(qū)間有所降低。
文檔編號H01M8/10GK102244284SQ201110160458
公開日2011年11月16日 申請日期2011年6月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月15日
發(fā)明者何曉瑾, 弭永利, 郝文斌 申請人:東營杰達化工科技有限公司