專利名稱：一種以液態(tài)金屬錫為陽極的直碳燃料電池裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及直碳燃料電池領(lǐng)域，特別涉及一種以液態(tài)金屬錫為陽極的直碳燃料電池裝置。
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(jià)格的持續(xù)增長，各國政府都深刻認(rèn)識(shí)到對(duì)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CO2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(fèi)，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(chǔ)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(dǎo)致這種能源利用方式不僅效率有限，而且會(huì)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。
直碳燃料電池是一種電化學(xué)能量電池。它以碳為原料，直接將碳的化學(xué)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(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能，再通過汽輪機(jī)將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，進(jìn)而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)生成電能。因?yàn)椴唤?jīng)歷熱能的轉(zhuǎn)化，因此沒有卡諾循環(huán)對(duì)效率上限的約束。理論上，直碳燃料電池的發(fā)電效率能達(dá)到100%，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CO2氣體，直碳燃料電池的設(shè)計(jì)有利于兩者的分離和CO2氣體的回收，從而達(dá)到減排甚至零排放CO2溫室氣體的效果。進(jìn)入新世紀(jì)以來，隨著太陽能，生物質(zhì)能，風(fēng)能等新型能源和可再生能源研究的流行，燃料電池也進(jìn)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，與直碳燃料電池利用固體碳為燃料相比，在燃料的儲(chǔ)存和輸送上都存在較大劣勢(shì)，因此直碳燃料電池成為燃料電池研究的熱點(diǎn)。直碳燃料電池的陽極傳質(zhì)機(jī)理的研究還處在探索階段。現(xiàn)有的陽極區(qū)的結(jié)構(gòu)都是將碳燃料與同為電子與離子導(dǎo)體的碳酸鹽混合，并在陽極區(qū)安裝電流收集器(例如鎳網(wǎng))來實(shí)現(xiàn)陽極傳質(zhì)過程。但是，由于碳燃料與電流收集器同為固體，使得他們之間的接觸面積有限，這也就限制了陽極傳質(zhì)的效率。這是直碳燃料電池陽極傳質(zhì)需要改進(jìn)的一個(gè)技術(shù)難題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺陷，提供一種以液態(tài)金屬錫為陽極的直碳燃料電池裝置，以液態(tài)金屬錫為陽極，利用錫熔點(diǎn)低的特點(diǎn)，在電池運(yùn)行的工況下，錫熔化為液態(tài)，使碳燃料浸沒在其中，增大了接觸面積，從而改善了陽極傳質(zhì)過程。其技術(shù)方案是主要由陽極出氣管、氣泵、陰極進(jìn)氣導(dǎo)管、圓筒型容器、導(dǎo)熱墊片、陽極進(jìn)氣管、陰極出氣導(dǎo)管、密封墊圈、電池單體、加熱圈組成，所述的圓筒型容器的頂部設(shè)有蓋，外面有加熱圈包裹，圓筒型容器內(nèi)底部有導(dǎo)熱墊片，電池單體置于其上，留出陰極氣體流過的流道，使陰極氣透過陶瓷上的孔道與陰極接觸，由密封墊圈將圓筒型容器分隔成陰極區(qū)和陽極區(qū)；圓筒型容器下部為陰極區(qū)，由氣泵經(jīng)陰極進(jìn)氣導(dǎo)管將陰極氣導(dǎo)入，陰極尾氣由陰極出氣導(dǎo)管導(dǎo)出；圓筒型容器上部為陽極區(qū)，陽極載氣經(jīng)陽極進(jìn)氣管導(dǎo)入，由陽極出氣管導(dǎo)出；所述的電池單體從下到上依次為陶瓷支撐，電池陰極，陰極電解質(zhì)過渡層，電解質(zhì)層，用高溫密封膠與碳燃料倉粘連密封，在碳燃料倉內(nèi)裝入金屬錫粉與碳燃料的混合物，各部件緊密結(jié)合構(gòu)成電池單體，通過陰極集流導(dǎo)線和陽極集流導(dǎo)線連接外部負(fù)載。上述的電池單體可以為四層到五層結(jié)構(gòu)四層結(jié)構(gòu)是從下到上依次是陶瓷支撐，電池陰極，陰極電解質(zhì)過渡層和電解質(zhì)層；五層結(jié)構(gòu)則是四層基礎(chǔ)上，在陽極與電解質(zhì)層中間，添加陽極一電解質(zhì)過渡層。上述的金屬錫粉采用的是錫粉末，其粒徑為Imm至10nm。電解質(zhì)層是由過渡金屬氧化物，稀土氧化物和碳酸鹽混合加工而成的復(fù)合電解質(zhì)，具體的是氧化釤參雜的氧化鈰(SDC)，氧化鈧穩(wěn)定的氧化鋯(SSZ)和氧化鋁A1203，碳酸 鋰Li2C03，碳酸鉀K2C03，碳酸鈉Na2C03其中的兩種或者兩種以上按一定質(zhì)量比混合而形成的復(fù)合電解質(zhì)材料。上述的碳燃料倉為陶瓷管，所述的導(dǎo)熱墊片為陶瓷片，所述的密封墊圈為氧化鋁纖維板，所述的圓筒型容器為不銹鋼釜，所述的加熱圈為陶瓷加熱圈。上述的碳燃料為無定形碳，碳黑，煤炭，焦炭或者其他含碳豐富的燃料。上述的陽極氣為氮?dú)?。上述的陰極氣是空氣，氧氣或者兩者的混合氣。本發(fā)明的有益效果是該直碳燃料電池單體以液態(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(shí)，可依據(jù)這一新結(jié)構(gòu)進(jìn)行大功率直碳燃料電池堆的研究與開發(fā)。


圖I是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意 圖2是本發(fā)明的電池單體的結(jié)構(gòu) 上圖中陰極集流導(dǎo)線I、碳燃料2、金屬錫粉3、電解質(zhì)層4、電池陰極5、陽極集流導(dǎo)線
6、碳燃料倉7、陰極電解質(zhì)過渡層8，陶瓷支撐9、陽極出氣管10、氣泵11、陰極進(jìn)氣導(dǎo)管12、圓筒型容器13、導(dǎo)熱墊片14、陽極進(jìn)氣管15、陰極出氣導(dǎo)管16、密封墊圈17、電池單體18、加熱圈19。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提到的一種以液態(tài)金屬錫為陽極的直碳燃料電池裝置，主要由陽極出氣管10、氣泵11、陰極進(jìn)氣導(dǎo)管12、圓筒型容器13、導(dǎo)熱墊片14、陽極進(jìn)氣管15、陰極出氣導(dǎo)管16、密封墊圈17、電池單體18、加熱圈19組成，所述的圓筒型容器13的頂部設(shè)有蓋，外面有加熱圈19包裹，圓筒型容器13內(nèi)底部有導(dǎo)熱墊片14，電池單體18置于其上，留出陰極氣體流過的流道，使陰極氣透過陶瓷上的孔道與陰極接觸，由密封墊圈17將圓筒型容器13分隔成陰極區(qū)和陽極區(qū)；圓筒型容器13下部為陰極區(qū)，由氣泵11經(jīng)陰極進(jìn)氣導(dǎo)管12將陰極氣導(dǎo)入，陰極尾氣由陰極出氣導(dǎo)管16導(dǎo)出；圓筒型容器13上部為陽極區(qū)，陽極載氣經(jīng)陽極進(jìn)氣管15導(dǎo)入，由陽極出氣管10導(dǎo)出；所述的電池單體18從下到上依次為陶瓷支撐9，電池陰極5，陰極電解質(zhì)過渡層8，電解質(zhì)層4，用高溫密封膠與碳燃料倉7粘連密封，在碳燃料倉7內(nèi)裝入金屬錫粉3與碳燃料2的混合物，各部件緊密結(jié)合構(gòu)成電池單體，通過陰極集流導(dǎo)線I和陽極集流導(dǎo)線6連接外部負(fù)載。上述的電池單體18可以為四層到五層結(jié)構(gòu)四層結(jié)構(gòu)是從下到上依次是陶瓷支撐9，電池陰極5，陰極電解質(zhì)過渡層8和電解質(zhì)層4 ;五層結(jié)構(gòu)則是四層基礎(chǔ)上，在陽極與電解質(zhì)層4中間，添加陽極一電解質(zhì)過渡層。上述的金屬錫粉3采用的是錫粉末，其粒徑為Imm至10nm。電解質(zhì)層4是由過渡金屬氧化物，稀土氧化物和碳酸鹽混合加工而成的復(fù)合電解 質(zhì)，具體的是氧化釤參雜的氧化鈰(SDC)，氧化鈧穩(wěn)定的氧化鋯(SSZ)和氧化鋁A1203，碳酸鋰Li2C03，碳酸鉀K2C03，碳酸鈉Na2C03其中的兩種或者兩種以上按一定質(zhì)量比混合而形成的復(fù)合電解質(zhì)材料，為本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的現(xiàn)有技術(shù)。上述的碳燃料倉7為陶瓷管，所述的導(dǎo)熱墊片14為陶瓷片，所述的密封墊圈17為氧化鋁纖維板，所述的圓筒型容器13為不銹鋼釜，所述的加熱圈19為陶瓷加熱圈。上述的碳燃料2為無定形碳，碳黑，煤炭，焦炭或者其他含碳豐富的燃料。上述的陽極氣為氮?dú)?；上述的陰極氣是空氣，氧氣或者兩者按為本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的比例混合。其工作溫度范圍是500至1000°C，另外，可依據(jù)實(shí)際情況，碳燃料的供給可采用間歇進(jìn)料工作方式，可嘗試連續(xù)進(jìn)料方式改造。以下結(jié)合實(shí)例，對(duì)該直碳燃料電池技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的說明
實(shí)施例I :以碳黑作為碳燃料，將其與錫粉按質(zhì)量比20 3混合加入到以液態(tài)金屬錫為陽極的直碳燃料電池單體的燃料腔中，密封好電池裝置。在常溫下，向陽極通入氮?dú)猓懦枠O腔內(nèi)的空氣。開啟加熱器，升溫到500°C時(shí)，向陰極腔通入空氣，氣壓為0. 5Mpa,記錄電池工況，現(xiàn)列舉750°C下的電池放電性能，見附表一。實(shí)施例2 :以碳黑作為碳燃料，將其與錫粉按質(zhì)量比6 :1混合加入到以液態(tài)金屬錫為陽極的直碳燃料電池單體的燃料腔中，密封好電池裝置。在常溫下，向陽極通入氮?dú)?，排除陽極腔內(nèi)的空氣。開啟加熱器，升溫到500°C時(shí)，向陰極腔通入空氣，氣壓為0. 5Mpa,記錄電池工況，現(xiàn)列舉750°C下的電池放電性能，見附表一。實(shí)施例3 :以碳黑作為碳燃料，將其與錫粉按質(zhì)量比11 1混合加入到以液態(tài)金屬錫為陽極的直碳燃料電池單體的燃料腔中，密封好電池裝置。在常溫下，向陽極通入氮?dú)?，排除陽極腔內(nèi)的空氣。開啟加熱器，升溫到500°C時(shí)，向陰極腔通入空氣，氣壓為0. 5Mpa,記錄電池工況，現(xiàn)列舉800 V下的電池放電性能，見附表一。
權(quán)利要求
1.一種以液態(tài)金屬錫為陽極的直碳燃料電池裝置，其特征是主要由陽極出氣管(10)、氣泵(11)、陰極進(jìn)氣導(dǎo)管(12)、圓筒型容器(13)、導(dǎo)熱墊片(14)、陽極進(jìn)氣管(15)、陰極出氣導(dǎo)管(16)、密封墊圈(17)、電池單體(18)、加熱圈(19)組成，所述的圓筒型容器(13)的頂部設(shè)有蓋，外面有加熱圈(19)包裹，圓筒型容器(13)內(nèi)底部有導(dǎo)熱墊片(14)，電池單體(18)置于其上，留出陰極氣體流過的流道，使陰極氣透過陶瓷上的孔道與陰極接觸，由密封墊圈(17)將圓筒型容器(13)分隔成陰極區(qū)和陽極區(qū)；圓筒型容器(13)下部為陰極區(qū)，由氣泵(11)經(jīng)陰極進(jìn)氣導(dǎo)管(12)將陰極氣導(dǎo)入，陰極尾氣由陰極出氣導(dǎo)管(16)導(dǎo)出；圓筒型容器(13)上部為陽極區(qū)，陽極載氣經(jīng)陽極進(jìn)氣管(15)導(dǎo)入，由陽極出氣管(10)導(dǎo)出；所述的電池單體(18)從下到上依次為陶瓷支撐(9)，電池陰極(5)，陰極電解質(zhì)過渡層(8)，電解質(zhì)層(4)，用高溫密封膠與碳燃料倉(7)粘連密封，在碳燃料倉(7)內(nèi)裝入金屬錫粉(3)與碳燃料(2)的混合物，各部件緊密結(jié)合構(gòu)成電池單體，通過陰極集流導(dǎo)線(I)和陽極集流導(dǎo)線(6)連接外部負(fù)載。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的以液態(tài)金屬錫為陽極的直碳燃料電池裝置，其特征是所述的電池單體(18)可以為四層到五層結(jié)構(gòu)四層結(jié)構(gòu)是從下到上依次是陶瓷支撐(9)，電池陰極(5)，陰極電解質(zhì)過渡層(8)和電解質(zhì)層(4);五層結(jié)構(gòu)則是四層基礎(chǔ)上，在陽極與電解質(zhì)層(4)中間，添加陽極一電解質(zhì)過渡層。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的以液態(tài)金屬錫為陽極的直碳燃料電池裝置，其特征是所述的金屬錫粉(3)采用的是錫粉末，其粒徑為Imm至10nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的以液態(tài)金屬錫為陽極的直碳燃料電池裝置，其特征是電解質(zhì)層(4)是由過渡金屬氧化物，稀土氧化物和碳酸鹽混合加工而成的復(fù)合電解質(zhì)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的以液態(tài)金屬錫為陽極的直碳燃料電池裝置，其特征是所述的碳燃料倉⑵為陶瓷管，所述的導(dǎo)熱墊片(14)為陶瓷片，所述的密封墊圈(17)為氧化鋁纖維板，所述的圓筒型容器(13)為不銹鋼釜，所述的加熱圈(19)為陶瓷加熱圈。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的以液態(tài)金屬錫為陽極的直碳燃料電池裝置，其特征是所述的碳燃料(2)為無定形碳，碳黑，煤炭，焦炭或者其他含碳豐富的燃料。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的以液態(tài)金屬錫為陽極的直碳燃料電池裝置，其特征是所述的陽極氣為氮?dú)狻?br> 8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的以液態(tài)金屬錫為陽極的直碳燃料電池裝置，其特征是所述的陰極氣是空氣或氧氣。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種以液態(tài)金屬錫為陽極的直碳燃料電池裝置。本發(fā)明的圓筒型容器的頂部設(shè)有蓋，外面有加熱圈包裹，圓筒型容器內(nèi)底部有導(dǎo)熱墊片，電池單體置于其上，留出陰極氣體流過的流道，使陰極氣透過陶瓷上的孔道與陰極接觸，由密封墊圈將圓筒型容器分隔成陰極區(qū)和陽極區(qū)；圓筒型容器下部為陰極區(qū)，由氣泵經(jīng)陰極進(jìn)氣導(dǎo)管將陰極氣導(dǎo)入，陰極尾氣由陰極出氣導(dǎo)管導(dǎo)出；圓筒型容器上部為陽極區(qū)，陽極載氣經(jīng)陽極進(jìn)氣管導(dǎo)入，由陽極出氣管導(dǎo)出。有益效果是以液態(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(shí)，可依據(jù)這一新結(jié)構(gòu)進(jìn)行大功率直碳燃料電池堆的研究與開發(fā)。
文檔編號(hào)H01M4/86GK102723516SQ20121019762
公開日2012年10月10日 申請(qǐng)日期2012年6月15日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月15日
發(fā)明者何曉瑾, 弭永利, 郝文斌 申請(qǐng)人:東營杰達(dá)化工科技有限公司