串聯(lián)呼吸型雙板倉固體碳燃料電池堆的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種呼吸型固體碳燃料電池堆。
【背景技術(shù)】
[0002]能源是人類經(jīng)濟(jì)的支柱，也是社會(huì)活動(dòng)的必須動(dòng)力。目前主要通過熱機(jī)獲得社會(huì)活動(dòng)所需的初級動(dòng)力，然后轉(zhuǎn)化為電能。但是，由于熱機(jī)受到“卡諾循環(huán)”的限制，效率提高較為困難，造成能源浪費(fèi)、污染排放增加等問題。因此，開發(fā)高效、清潔的電能獲取方式，成為能源發(fā)展的必然方向。
[0003]燃料電池可將儲(chǔ)存在燃料中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，不受“卡諾循環(huán)”的限制，具有能量轉(zhuǎn)換效率高、潔凈、無污染、噪聲低、比功率高等優(yōu)點(diǎn)，受到世界各國的廣泛重視。其中，直接固體碳燃料電池(Direct Carbon Fuel Cell,簡稱DCFC)采用固體碳作為燃料，將其中化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，更具有以下優(yōu)點(diǎn):直接而高效利用了化學(xué)燃料中碳的能量；固體碳燃料電池的理論熱率為100%，熵變?yōu)镺 ;碳的進(jìn)料和產(chǎn)出的二氧化碳集成在一個(gè)單元里，容易收集；煤炭資源豐富，且通過植物再生獲取生物質(zhì)碳簡單、廉價(jià)、環(huán)保；固體碳安全，運(yùn)輸和儲(chǔ)存方便；固體碳直接利用，加工簡單、無污染。
[0004]直接固體碳燃料電池根據(jù)電解質(zhì)不同可分為多種類型，固體氧化物燃料電池和熔融碳酸鹽燃料電池大多溫度高，電能的轉(zhuǎn)換效率低，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且使用隔膜，具有維修或者替換困難等缺點(diǎn)。而采用熔融堿電解質(zhì)(電解液)的固體碳燃料電池，具有溫度低、電池效率高，結(jié)構(gòu)簡單，維修方便等優(yōu)點(diǎn)。
[0005]19世紀(jì)末期，由于火力發(fā)電的效率低到2.6%，科學(xué)家們?yōu)樘岣咝?，精簡能量轉(zhuǎn)化過程而研發(fā)了 DCFC技術(shù)。1896年Jacques建造了第一個(gè)DCFC模型，在500°C利用碳電極測得了高于IV的開路電壓，并且最大電流密度達(dá)到了 lOOmA/cm2。由于堿電解質(zhì)的碳酸化和殘?jiān)睦鄯e，導(dǎo)致該系統(tǒng)無法連續(xù)運(yùn)行。
[0006]在DCFC中，以堿性電解質(zhì)為例，固體碳燃料作為陽極，發(fā)生氧化反應(yīng)(反應(yīng)一)，釋放電子；氧氣在陰極中發(fā)生還原反應(yīng)(反應(yīng)二)，獲得電子；電子從陽極到陰極的轉(zhuǎn)移為外界提供電能，電解質(zhì)中OH—從陰極到陽極的轉(zhuǎn)移形成完整電路，二氧化碳作為唯一的反應(yīng)產(chǎn)物釋放出來(反應(yīng)三)。各反應(yīng)化學(xué)式如下:
[0007]陽極反應(yīng):C+40!T—CO 2+2H20+4e_( 一 )
[0008]陰極反應(yīng):02+2H20+4e— 40H(二)
[0009]總反應(yīng):C+02—CO2(三)
[0010]在DCFC中，以碳酸鹽電解質(zhì)為例，固體碳燃料作為陽極，發(fā)生氧化反應(yīng)(反應(yīng)四)，釋放電子；氧氣在陰極中發(fā)生還原反應(yīng)(反應(yīng)五)，獲得電子；電子從陽極到陰極的轉(zhuǎn)移為外界提供電能，電解質(zhì)中CO32-從陰極到陽極的轉(zhuǎn)移形成完整電路，二氧化碳作為唯一的反應(yīng)產(chǎn)物釋放出來(反應(yīng)三)。各反應(yīng)化學(xué)式如下:
[0011]陽極反應(yīng):C+2C032— 3C0 2+4e (四)
[0012]陰極反應(yīng):02+2C02+4e— 2C0 32 (五)
[0013]總反應(yīng):C+02—CO2(三)
[0014]近年來由于全球暖化、酸雨以及固體空氣顆粒物的增多都主要?dú)w咎于火電廠的污染排放，同時(shí)，能量效率只停留在35%左右，DCFC的技術(shù)開發(fā)提上日程。美國的SR1、LLNL和SARA等率先開始這方面的科研。2010年，來自澳大利亞、英國和中國的學(xué)者也加入了研發(fā)隊(duì)伍。目前，DCFC技術(shù)仍處于學(xué)術(shù)研宄和產(chǎn)品研發(fā)階段，技術(shù)研宄將不斷擴(kuò)大。下面對具代表性的研宄模型進(jìn)行介紹。
[0015]為了提高電池的工作效率、降低成本，迫切需要簡單、易造、高效的固體碳燃料電池。
[0016]以 Cooper 領(lǐng)導(dǎo)的美國 Lawrence 國家實(shí)驗(yàn)室(Lawrence Livermore Nat1nalLaboratory (LLNL))開發(fā)了熔融碳酸鹽的燃料電池。該電池采用高溫(800°C )的熔融碳酸鹽作為電解質(zhì)，固體炭顆粒作為燃料，空氣中的氧氣作為陰極還原劑。在800°C的運(yùn)行溫度下，優(yōu)化電流密度為120mA/cm2，功率密度為60mW/cm2。
[0017]以Zecevic領(lǐng)導(dǎo)的研發(fā)組在美國SARA公司開發(fā)了堿性直接碳燃料電池。石墨碳棒被用于燃料，同時(shí)作為陽極導(dǎo)體浸泡在熔融的氫氧化鈉電解質(zhì)中，氧氣通過電池底部的分散管通入，并與作為容器壁的陰極接觸發(fā)生反應(yīng)。在630°C的運(yùn)行溫度下，取得了優(yōu)化電流密度為250mA/cm2，功率密度為57mW/cm2。
[0018]Irvine教授在英國University of St Andrews領(lǐng)導(dǎo)了復(fù)合固體氧化物與恪融碳酸鹽的管狀直接碳燃料電池項(xiàng)目。固體顆粒碳燃料與熔融碳酸鹽混合加入陽極倉中，固體氧化物作為電解質(zhì)，氧氣吹入陰極作為還原劑。在800°C的運(yùn)行溫度下，優(yōu)化電流密度和功率密度分別達(dá)到170mA/cm2和50mW/cm2。
[0019]在中國也有學(xué)者進(jìn)行這方面的開發(fā)研宄，例如哈爾濱工程大學(xué)的曹殿學(xué)、清華大學(xué)的Ningsheng Ca1、天津大學(xué)的Yongdan Li等。目前的研宄一般都在較高的溫度(630-8000C )下運(yùn)行，隨著溫度的升高反應(yīng)的速度提高，但電極材料的腐蝕，尤其炭燃料的消耗都隨之提高。Boudouard反應(yīng)指出碳會(huì)與二氧化碳(CO2)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生一氧化碳(CO)。
[0020]C+C02= CO
[0021]以堿性電解質(zhì)為例，伴隨溫度的提高，氣體中一氧化碳(CO)的含量按指數(shù)提升，例如在800°C時(shí)，有89%的氣體成分是CO，意味著89%的固體炭與CO2發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)而消耗。那么，消耗的碳就無法產(chǎn)生電子，從而提供電能。在600°C時(shí)，25%的氣體成分是CO。所以，降低溫度將會(huì)大幅提高燃料的發(fā)電效率。
[0022]以碳酸鹽電解質(zhì)為例，伴隨溫度的降低，反應(yīng)速度降低，例如在650°C時(shí)，反應(yīng)不能發(fā)生。
[0023]檢索到相關(guān)專利包括:一種流化床電極直接碳燃料電池裝置CN201110217478.6，該裝置包含流化床、兩根及兩根以上管式單體電池、集流板、復(fù)合碳燃料、氣體循環(huán)裝置、螺旋給料機(jī)和燃料箱。本發(fā)明在固體氧化物直接碳燃料電池基礎(chǔ)上，向固體碳燃料中添加導(dǎo)體催化劑，使得碳的直接電化學(xué)反應(yīng)界面從二維拓展為三維，并能促進(jìn)碳的氣化反應(yīng)，從而提高電池性能，但是該裝置沒有呼吸裝置，電池效率較低，產(chǎn)生的功率密度也較低；一種熔融碳酸鹽直接碳燃料電池堆CN202308175U，該燃料電池堆由多個(gè)燃料電池單體堆疊而成；固體碳燃料粉末存放在碳燃料倉中，CO2氣體流過碳燃料倉，攜帶碳燃料粉末流入陽極氣體流道，碳燃料粉末穿過陽極板開孔與電解質(zhì)隔膜中的熔融電解質(zhì)直接接觸，并粘附在電解質(zhì)隔膜上，供燃料電池陽極反應(yīng)。本實(shí)用新型解決了直接碳燃料電池的固體碳燃料連續(xù)給料難題，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造困難，熔融碳酸鹽需要較高的溫度，成本較高。
[0024]目前，現(xiàn)有的固體碳燃料電池存在以下缺點(diǎn):
[0025]1、電池的工作效率低、成本高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造困難；
[0026]2、功率密度低、反應(yīng)溫度高；
[0027]3、電池內(nèi)電路消耗較大，內(nèi)阻過大，水的利用率不高，電池使用壽命較短。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0028]本發(fā)明的目的是解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種串聯(lián)呼吸型雙板