專利名稱：一種以多孔陶瓷材料為支撐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，特別涉及一種以多孔陶瓷材料為支撐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，在燃料的儲存和輸送上都存在較大劣勢，因此直碳燃料電池成為燃料電池研究的熱點(diǎn)。直碳燃料電池按結(jié)構(gòu)主要分為有平板型和管式兩種。為了達(dá)到連續(xù)運(yùn)行的目的，將碳燃料置于電池板上方或者電池管筒之內(nèi)，使其因重力作用始終與電池陽極緊密接觸，實(shí)現(xiàn)碳燃料轉(zhuǎn)化為CO2電化學(xué)反應(yīng)連續(xù)進(jìn)行。這就使得陽極，電解質(zhì)和陰極這三層之中，至少有一層為了作支撐而被加工的比較厚重?，F(xiàn)有的平板型或者管式直碳燃料電池都是由電極層或者電解質(zhì)層作支撐的結(jié)構(gòu)。另一方面，出于減小內(nèi)阻消耗和節(jié)省電極材料的考慮，電極和電解質(zhì)層的厚度卻是加工的越薄越好。這就對電極和電解質(zhì)的材料強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了更高的要求。如果不加以解決，將會阻礙直碳燃料電池技術(shù)的發(fā)展。因此，在保證電池機(jī)械強(qiáng)度的前提下，如何將其制作得結(jié)構(gòu)輕薄成為直碳燃料電池的一大技術(shù)難題
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，提供一種以多孔陶瓷材料為支撐的直碳燃料電池裝置。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，外面設(shè)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；在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；
上述的電池單體從下到上依次為多孔陶瓷片，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，在其內(nèi)裝入碳燃料，為陽極，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六層結(jié)構(gòu)其中，四層結(jié)構(gòu)是指從下到上依次是多 孔陶瓷片，陰極，陰極一電解質(zhì)過渡層和電解質(zhì)層；五層結(jié)構(gòu)則是四層基礎(chǔ)上，在電解質(zhì)上面再添加一層熔融物或者液態(tài)的陽極；六層結(jié)構(gòu)則是在五層結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，在陽極與電解質(zhì)中間，添加陽極一電解質(zhì)過渡層。上述的多孔陶瓷片是由是氧化鋁，氧化鋯，氧化鎂等或者其中的一種，兩種或者兩種以上的瓷粉燒結(jié)而成；其孔徑大小為Imm至10nm，其應(yīng)用的多孔陶瓷片可以是平板型的，也可以是管式的，包括兩端開口和一端口兩種類型。上述的電解質(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、氧化鈧穩(wěn)定的氧化鋯和氧化鋁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)?，所述的陰極氣是空氣，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多孔陶瓷片材料為支撐，而非現(xiàn)有的以陽極，電解質(zhì)或者陰極為支撐的燃料電池結(jié)構(gòu)，在提高電池機(jī)械強(qiáng)度的同時(shí)，節(jié)約了電極和電解質(zhì)材料，并減小了電池內(nèi)部阻抗的消耗。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)示意 上圖中陰極集流導(dǎo)線I、碳燃料2、電解質(zhì)層3、電池陰極4、陽極集流導(dǎo)線5、碳燃料倉
6、陰極電解質(zhì)過渡層7、多孔陶瓷片8 ;陽極出氣管9、氣泵10、陰極進(jìn)氣導(dǎo)管11、圓筒型容器12、導(dǎo)熱墊片13、陽極進(jìn)氣管14、陰極出氣導(dǎo)管15、密封墊圈16、電池單體17、加熱圈18。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提到的以多孔陶瓷材料為支撐的直碳燃料電池裝置主要由陽極出氣管9、氣泵10、陰極進(jìn)氣導(dǎo)管11、圓筒型容器12、導(dǎo)熱墊片13、陽極進(jìn)氣管14、陰極出氣導(dǎo)管15、密封墊圈16、電池單體17、加熱圈18組成，所述的圓筒型容器12的頂部設(shè)有蓋，外面設(shè)有加熱圈18包裹，圓筒型容器12內(nèi)底部有導(dǎo)熱墊片13，電池單體17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16將圓筒型容器12分隔成陰極區(qū)和陽極區(qū)；圓筒型容器12下部為陰極區(qū)，由氣泵10經(jīng)陰極進(jìn)氣導(dǎo)管11將陰極氣導(dǎo)入，陰極尾氣由陰極出氣導(dǎo)管15導(dǎo)出；在圓筒型容器12上部為陽極區(qū)，陽極載氣經(jīng)陽極進(jìn)氣管14導(dǎo)入，由陽極出氣管9導(dǎo)出。其中，電池單體17從下到上依次為多孔陶瓷片8，電池陰極4，陰極電解質(zhì)過渡層
7,電解質(zhì)層3，用高溫密封膠與碳燃料倉6粘連密封，在其內(nèi)裝入碳燃料2，為陽極，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5連接外部負(fù)載。
需要說明的是電池單體17可以為四層到六層結(jié)構(gòu)其中，四層結(jié)構(gòu)是指從下到上依次是多孔陶瓷片，陰極，陰極一電解質(zhì)過渡層和電解質(zhì)層；五層結(jié)構(gòu)則是四層基礎(chǔ)上，在電解質(zhì)上面再添加一層熔融物或者液態(tài)的陽極；六層結(jié)構(gòu)則是在五層結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，在陽極與電解質(zhì)中間，添加陽極一電解質(zhì)過渡層。其中，多孔陶瓷片8是由是氧化鋁，氧化鋯，氧化鎂等或者其中的一種，兩種或者兩種以上的瓷粉燒結(jié)而成，配比為本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知；其孔徑大小為Imm至10nm，其應(yīng)用的多孔陶瓷片可以是平板型的，也可以是管式的，包括兩端開口和一端口兩種類型。上述的電解質(zhì)層3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、氧化鈧穩(wěn)定的氧化鋯和氧化鋁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，該質(zhì)量比為本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的現(xiàn)有技術(shù)。上述的碳燃料倉6為陶瓷管，所述的導(dǎo)熱墊片13為陶瓷片，所述的密封墊圈16為氧化鋁纖維板，所述的圓筒型容器12為不銹鋼釜，所述的加熱圈18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)?，所述的陰極氣是空氣，氧氣或者兩者的混合氣，上述的以多孔陶瓷材料為支撐的直碳燃料電池裝置，其工作溫度范圍是500至1000°C，上述的直碳燃料電池裝置可依據(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。采用平板型和管式型的設(shè)計(jì)，與傳統(tǒng)的平板型電池不同，在陽極，電解質(zhì)，陰極三層功能材料結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，添加了一層多孔陶瓷板作為支撐材料，使平板型電池不必在因?yàn)闄C(jī)械強(qiáng)度的考慮而做成以某一層為支撐的結(jié)構(gòu)(如陽極支撐，電解質(zhì)支撐)，節(jié)省了電極材料，更減小了電池的內(nèi)阻，從而減少了電池的內(nèi)耗。利用其顯著提高的強(qiáng)度，可進(jìn)行大功率電池堆開發(fā)的嘗試。本發(fā)明技術(shù)發(fā)電的實(shí)例如下
實(shí)施例I
以碳黑作為碳燃料，按質(zhì)量比10 3依次向以多孔陶瓷為支撐的直碳燃料電池單體的燃料腔中加入錫粉和碳燃料，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600°C下的電池性能情況，見附表一。實(shí)施例2
以碳黑作為碳燃料，按質(zhì)量比20:3依次向以多孔陶瓷為支撐的直碳燃料電池單體的燃料腔中加入錫粉和碳燃料，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700°C下的電池性能情況，見附表一。實(shí)施例3
以碳黑作為碳燃料，按質(zhì)量比5 2依次向以多孔陶瓷為支撐的直碳燃料電池單體的燃料腔中加入錫粉和碳燃料，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下的電池性能情況，見附表一。實(shí)施例4
以碳黑作為碳燃料，按質(zhì)量比20:3依次向以多孔陶瓷為支撐的直碳燃料電池單體的燃料腔中加入錫粉和碳燃料，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)，流量向陰極腔通入空氣，氣壓為0. 5Mpa,記錄電池工況，現(xiàn)列舉800°C下的電池性能情況，見附表一。實(shí)施例5
以碳黑作為碳燃料，按質(zhì)量比10 1依次向以多孔陶瓷為支撐的直碳燃料電池單體的燃料腔中加入錫粉和碳燃料，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850°C下的電池性能情況，見附表一。附表一如下
I錫碳(質(zhì)量比)I溫度I最大電流密度 I最大功率密度 I平均功率密度
1_10j_3_600 4. 44mA/cm22. 57mff/cm22. 32mff/cm2
220~3700 rOlmA/cm2 —3.64mff/cm23.08mff/cm2 —
3750 8 45mA/cm2 一10.00mff/cm2 8. 31mff/cm2 一
420~3800 9 93mA/cm2 一12. 53mff/cm2 11.43mff/cm2 一
5|lO:l丨850 154. 33mA/cm2 \A2. 79mff/cm2 丨34. 12mW/cm2 —
權(quán)利要求
1.一種以多孔陶瓷材料為支撐的直碳燃料電池裝置，其特征是主要由陽極出氣管(9)、氣泵(10)、陰極進(jìn)氣導(dǎo)管(11)、圓筒型容器(12)、導(dǎo)熱墊片(13)、陽極進(jìn)氣管(14)、陰極出氣導(dǎo)管(15)、密封墊圈(16)、電池單體(17)、加熱圈(18)組成，所述的圓筒型容器(12)的頂部設(shè)有蓋，外面設(shè)有加熱圈(18)包裹，圓筒型容器(12)內(nèi)底部有導(dǎo)熱墊片(13)，電池單體(17)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(16)將圓筒型容器(12)分隔成陰極區(qū)和陽極區(qū)；圓筒型容器(12)下部為陰極區(qū)，由氣泵(10)經(jīng)陰極進(jìn)氣導(dǎo)管(11)將陰極氣導(dǎo)入，陰極尾氣由陰極出氣導(dǎo)管(15)導(dǎo)出；在圓筒型容器(12)上部為陽極區(qū)，陽極載氣經(jīng)陽極進(jìn)氣管(14)導(dǎo)入，由陽極出氣管(9)導(dǎo)出； 所述的電池單體(17)從下到上依次為多孔陶瓷片(8)，電池陰極(4)，陰極電解質(zhì)過渡層(7 )，電解質(zhì)層(3 )，用高溫密封膠與碳燃料倉(6 )粘連密封，在其內(nèi)裝入碳燃料(2 )，為陽極，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(5)連接外部負(fù)載。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的以多孔陶瓷材料為支撐的直碳燃料電池裝置，其特征是所述的電池單體(17)可以為四層到六層結(jié)構(gòu)其中，四層結(jié)構(gòu)是指從下到上依次是多孔陶瓷片，陰極，陰極一電解質(zhì)過渡層和電解質(zhì)層；五層結(jié)構(gòu)則是四層基礎(chǔ)上，在電解質(zhì)上面再添加一層熔融物或者液態(tài)的陽極；六層結(jié)構(gòu)則是在五層結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，在陽極與電解質(zhì)中間，添加陽極一電解質(zhì)過渡層。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的以多孔陶瓷材料為支撐的直碳燃料電池裝置，其特征是所述的多孔陶瓷片(8)是由是氧化鋁，氧化鋯，氧化鎂等或者其中的一種，兩種或者兩種以上的瓷粉燒結(jié)而成；其孔徑大小為Imm至10nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的以多孔陶瓷材料為支撐的直碳燃料電池裝置，其特征是所述的電解質(zhì)層(3 )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所述的以多孔陶瓷材料為支撐的直碳燃料電池裝置，其特征是所述的碳燃料倉(6)為陶瓷管，所述的導(dǎo)熱墊片(13)為陶瓷片，所述的密封墊圈(16)為氧化鋁纖維板，所述的圓筒型容器(12)為不銹鋼釜，所述的加熱圈(18)為陶瓷加熱圈。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的以多孔陶瓷材料為支撐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所述的以多孔陶瓷材料為支撐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所述的以多孔陶瓷材料為支撐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)明涉及一種以多孔陶瓷材料為支撐的直碳燃料電池裝置。本發(fā)明由陽極出氣管、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、電池單體、加熱圈組成，其中，電池單體從下到上依次為多孔陶瓷片，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，在其內(nèi)裝入碳燃料，為陽極，通過陰極集流導(dǎo)線和陽極集流導(dǎo)線連接外部負(fù)載。有益效果是以多孔陶瓷材料為支撐，而非現(xiàn)有的以陽極，電解質(zhì)或者陰極為支撐的燃料電池結(jié)構(gòu)，在提高電池機(jī)械強(qiáng)度的同時(shí)，節(jié)約了電極和電解質(zhì)材料，并減小了電池內(nèi)部阻抗的消耗。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H01M8/02GK102760898SQ20121019762
公開日2012年10月31日 申請日期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 申請人:東營杰達(dá)化工科技有限公司