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