一種鎳鑭復合材料陰極及其直接碳燃料電池的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及直接碳燃料電池制備領(lǐng)域，具體涉及一種鎳鑭復合材料陰極及其直接碳燃料電池。
【背景技術(shù)】
[0002]直接碳燃料電池(Direct Carbon Fuel Cell，DCFC)是一種以碳及其衍生物為燃料的燃料電池，具有能量轉(zhuǎn)換效率高、環(huán)境友好、燃料適應性廣等突出優(yōu)點。DCFC總電極反應為C+02= CO 2，標準狀態(tài)下此反應熵變(DS)接近0，吉布斯自由能變化與恰變幾乎相等。故DCFC理論效率可達100%，而以氫氣甲烷為燃料的燃料電池理論效率分別為83%和91%。此外DCFC理論效率不隨溫度升高而降低，800°C下DCFC理論效率仍為100%，而800°C下以氫氣為燃料的燃料電池理論效率降低為74%，因此DCFC近年來重新受到人們的關(guān)注。
[0003]目前國內(nèi)外DCFC的相關(guān)專利的研究內(nèi)容基本上圍繞著DCFC的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、電極材料、反應裝置、電解質(zhì)組成優(yōu)化以及流體控制系統(tǒng)等方面。
[0004]2006年圣安德魯斯大學董事會在專利201280064087.8中提出了一種直接碳燃料電池DCFC系統(tǒng)，包括了電化學系統(tǒng)、陽極室、陰極室、陽極外殼、陰極外殼和連接器，采用了固態(tài)的第一電解質(zhì)和熔融碳酸鹽作為第二電解質(zhì)，陰極采用亞錳酸鍶鑭、摻鑭的鍶鈷氧化物等固態(tài)金屬氧化物，在750°C的運行溫度下，優(yōu)化電流密度為120mA/cm2，功率密度為40mff/cm2。
[0005]專利201210197623.3于2012年提出了一種以液態(tài)金屬錫為陽極的直接碳燃料電池裝置，該實用新型以液態(tài)金屬錫為陽極，而非現(xiàn)有的含碳燃料混合物與電流收集器構(gòu)成的陽極結(jié)構(gòu)，提高了陽極傳質(zhì)性能，同時，可根據(jù)新的結(jié)構(gòu)進行大功率直接碳燃料電池堆的研究與開發(fā)。
[0006]清華大學在專利200810119204.1中提出了一種直接碳燃料電池反應裝置，該反應裝置包括固定部件、水冷部件、陰極氣體供給部件、陽極氣體供給部件、碳燃料安置部件、集流部件、密封部件、測控溫部件和反應腔體部件。該裝置可實現(xiàn)對直接碳燃料電池的密封、電流集流、陰陽極氣體供給、測溫控溫、固體碳燃料供給、陽極加水及分段加熱等功能，同時為外部氣路、電池電化學性能測試、反應氣體檢測留下接口，以滿足直接碳燃料電池反應條件需求。
[0007]以 Cooper 領(lǐng)導的美國 Lawrence 國家實驗室(Lawrence Livermore Nat1nalLaboratory)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)，固體炭作為燃料，空氣中的氧氣作為陰極還原劑，在800°C的運行溫度下，優(yōu)化電流密度為120mA/cm2，功率密度為60mW/cm2。
[0008]韓國生產(chǎn)技術(shù)研究院于2015年在專利201380037717.7中提出了一種可以確保燃料電極介質(zhì)的流動性而改善了輸出密度的直接碳燃料電池的燃料供應裝置，該裝置包括通路管及起泡裝置，憑借燃料電極介質(zhì)流動是的介質(zhì)被供應到管型芯的燃料電極上，提高了管型芯的輸出密度。
[0009]目前國內(nèi)外DCFC行業(yè)涉及如何提高直接碳燃料電池功率密度的實用新型較少。文獻【S.Zecevic，E.M.Patton, P.Parhami, Carbon 2004,42，1983-1993.】中對使用不同的陰極材料(低碳鋼、鎳、泡沫鎳、Fe2Ti等)對DCFC的輸出性能進行測試，所得最大的電流密度為270mA/cm2，最大功率密度為60mW/cm2，燃料轉(zhuǎn)化效率為39%，電解質(zhì)為熔融堿混合物，工作溫度為630 °C。
[0010]2007年中國科學院過程工程研究所在專利200510117739.1中提出了一種直接碳燃料電池陰極材料及其制備方法，提供了一種稀土氧化物復合陰極材料，主要由N1、Gd203、Ce02、La203、Nd203、Yb203、Zr02、MgO。使用該陰極材料的直接碳燃料電池的DCFC在630°C工作時，最大功率密度為102mW/cm2，最大電流密度為476mA/cm2，提高了 DCFC在中溫時的功率密度和電流密度。使用該陰極材料的直接碳燃料電池的DCFC在500 °C工作時，最大功率密度為72mW/cm2，最大電流密度為328mA/cm2，在500 °C時獲得了較高的輸出性能，降低了 DCFC的工作溫度。
[0011]目前國外最新的DCFC可在高工作溫度下(800°C-1000°C )獲得較高的功率密度，但是在中溫條件下(500°C_650°C)運行時獲得的電流密度和功率密度相對較低，因此提高中溫工作條件下的功率密度和電流密度稱為DCFC發(fā)展中亟需解決的問題。中科院在實用新型中提到的稀土氧化物復合陰極材料已經(jīng)初步具備了陰極材料的一些特征和屬性，但是首先其材料的組成比較復雜，制作成本較高；其次，復雜氧化物組合會影響陰極氧離解還原的催化活性和陰極離子電導率。
【實用新型內(nèi)容】
[0012]為了克服以上現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本實用新型提供一種直接碳燃料電池的鎳鑭復合材料陰極及其制備方法，使用該鎳鑭復合材料陰極的碳燃料電池在中溫工作條件下穩(wěn)定運行，可以顯著提高DCFC的電流密度、功率密度和燃料轉(zhuǎn)化效率。在500°C _650°C運行時，均可以獲得較高的功率密度和電流密度。
[0013]本實用新型的一個目的在于提供一種鎳鑭復合材料陰極。
[0014]本實用新型的鎳鑭復合材料陰極用于直接碳燃料電池的陰極，直接碳燃料電池包括反應裝置、陽極板倉、陰極板倉、陽極、陰極、陽極集流板、陰極集流板、微孔隔板、熔融堿電解質(zhì)和碳燃料，其中，在反應裝置內(nèi)盛放熔融堿電解質(zhì)；筒狀的陽極板倉和陰極板倉分別設(shè)置在反應裝置的底部，陽極和陰極分別放置在陽極板倉和陰極板倉內(nèi)，具有孔洞的陽極集流板和陰極集流板分別從反應裝置的頂部穿入并伸入到陽極板倉和陰極板倉中，在陽極板倉和陰極板倉之間設(shè)置微孔隔板，在陽極板倉內(nèi)放置碳燃料；鎳鑭復合材料陰極包括兩種材料，第一種材料為鎳，第二種材料為鑭系金屬或氧化鑭La203。
[0015]鑭系金屬采用鑭、鈰、鐠、釹、钷、釤、銪、釓、鋱、鏑、鈥、鉺、銩、鐿和镥中的一種。陰極中鑭提高了陰極的氧吸附離解能力和還原催化活性，并提高了陰極氧離子的電導率，增加了電極反應三相界面。在陰極中添加高氧離子電導的La可使陰極在高溫下成為電子-離子混合導體；另外，陰極中的La有助于增大Ni陰極表面氧化膜的電子電導率，使陰極表面電阻降低，從而使得DCFC輸出性能提高。Ni陰極表面會在熔融堿及熔融碳酸鹽電解質(zhì)中氧化為電導率很低的P型半導體N1。
[0016]鎳鑭復合材料陰極為非平面狀的多維立體形狀，剖面曲線為三角波形、鋸齒波形、正旋波形、矩形波形和瓦楞狀中的一種，這種多維立體形狀，增加了空間利用率。
[0017]本實用新型的鎳鑭復合材料陰極加工成非晶態(tài)和納米晶薄膜材料，用于直接碳燃料電池。
[0018]本實用新型的另一個目的在于提供一種直接碳燃料電池。
[0019]本實用新型的直接碳燃料電池包括反應裝置、陽極板倉、陰極板倉、陽極、陰極、陽極集流板、陰極集流板、微孔隔板、熔融堿電解質(zhì)和碳燃料；其中，在反應裝置內(nèi)盛放熔融堿電解質(zhì)；筒狀的陽極板倉和陰極板倉分別設(shè)置在反應裝置的底部；陽極和陰極分別放置在陽極板倉和陰極板倉內(nèi)；具有孔洞的陽極集流板和陰極集流板分別從反應裝置的頂部穿入并伸入到陽極板倉和陰極板倉中；在陽極板倉和陰極板倉之間設(shè)置微孔隔板；在陽極板倉內(nèi)放置碳燃料；直接碳燃料電池的陰極采用鎳鑭復合材料陰極。
[0020]熔融堿電解質(zhì)采用Li0H、K0H和NaOH中的兩種或三種的組合的混合配比溶液。熔融堿電解質(zhì)對燃料電池的反應溫度要求比熔融碳酸鹽熔融堿電解質(zhì)的反應溫度要低，這樣可以有效的避免高溫下(800°C以上)的Boudouard反應，即避免炭和二氧化碳在高溫下發(fā)生化學反應產(chǎn)生一氧化碳氣體。
[0021]本實用新型的優(yōu)點:
[0022]1.本實用新型的鎳鑭復合材料陰極便于制成面積大、形狀復雜的非晶態(tài)和納米晶薄膜材料，
[0023]適合連續(xù)作業(yè)和大規(guī)模生產(chǎn)；而且合金膜的組成容易控制，生產(chǎn)工藝簡單，成本較低等；
[0024]2.采用本實用新型的鎳鑭復合材料陰極的DCFC在中溫下放電性能穩(wěn)定，輸出了較高的功
[0025]率密度和電流密度；
[0026]3.采用本實用新型的鎳鑭復合材料陰極的DCFC在中溫下具有較高的燃料轉(zhuǎn)化效率;
[0027]4.本實用新型采用的鎳鑭復合材料不溶解，不會污染熔融堿電解質(zhì)和熔融碳酸鹽電解質(zhì)。
【附圖說明】
[0028]圖1為直接碳燃料電池的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029]圖2為本實用新型的直接碳燃料電池的鎳鑭復合材料陰極的剖面曲線的示意圖，其中，(a)為三角波形，(b)為鋸齒波形，(c)為正旋波形，(d)為矩形波形；
[0030]圖3為使用本實用新型的鎳鑭復合材料陰極的DCFC在不同溫度下的功率密度曲線；
[0031]圖4為使用本實用新型的鎳鑭復合材料陰極的DCFC在500°C、580°C和630°C工作時的功率密度及燃料轉(zhuǎn)化效率曲線；
[0032]圖5為純Ni粉體及鎳鑭復合材料陰極使用前后的X衍射射線XRD圖譜。
【具體實施方式】
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