直接碳電化學(xué)電池的制作方法
【專利摘要】直接碳燃料電池DCFC系統(tǒng)(5)，該系統(tǒng)包括電化學(xué)電池，所述電化學(xué)電池(10)包括陰極(30)、固態(tài)的第一電解質(zhì)(25)和陽極(20)，其中，所述系統(tǒng)還包括含有第二電解質(zhì)(125)和燃料(120)的陽極室。當(dāng)采用熔融碳酸鹽作為第二電解質(zhì)時，所述系統(tǒng)優(yōu)選地通過吹掃氣體入口(60)利用CO2進行吹掃。
【專利說明】直接碳電化學(xué)電池
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種電化學(xué)電池，例如燃料電池。特別地但非排他地，本發(fā)明涉及一種直接碳燃料電池(direct carbon fuel cells)。
【背景技術(shù)】
[0002]碳燃料一直以來用于發(fā)電并且存在廣泛和豐富的碳儲量。碳燃料的實例包括生物燃料(例如木材、椰子殼)、煤、石油焦炭(由煉油廠的蒸餾工藝而得來的殘留物)、熱解碳和來自城市垃圾的材料。
[0003]采用固體燃料操作的燃料電池能夠提供比采用氣體燃料操作的燃料電池更高的能量密度。例如，固體碳含有的每單位體積能量密度(如20.0kWh/L)比氣體和液體燃料如甲醇(4.2kWh/L)、氫氣(2.4kWh/L)或柴油(9.8kWh/L)的高。
[0004]鑒于上述，直接碳燃料電池(其中碳是直接轉(zhuǎn)化為電力的)顯示出其巨大的潛力。碳燃料電池的電效率可以達(dá)到近100%的效率，相對而言傳統(tǒng)的煤燃燒發(fā)電站通常限于30-40%左右的效率。此外，由直接碳燃料電池產(chǎn)生的碳氧化產(chǎn)物(如CO2)要比煤燃燒發(fā)電站排放的(可能包括不良產(chǎn)物如氮和硫的氧化物以及顆粒物)相對純凈。該相對純凈的氧化產(chǎn)物僅需簡單隔離而無需昂貴的且能量密集型的分離和純化工藝。
[0005]如本文中所采用的，直接碳燃料電池是將碳作為燃料的電化學(xué)電池，其中碳在陽極上被氧化劑電化學(xué)氧化。所用術(shù)語“直接”在此并非是指一個初級反應(yīng)步驟(oneelementary reaction step)而是用以指明所述燃料是在一種處理中直接轉(zhuǎn)化，即無需額外的處理如裂化。例如，所述直接反應(yīng)可以包括在一個室中進行氣化和燃料電池反應(yīng)。進一步地，雖然采用了術(shù)語燃料電池，應(yīng)當(dāng)理解的是所述電化學(xué)電池并不需要連續(xù)不斷地補充燃料和/或氧化劑。還應(yīng)當(dāng)理解的是所述電池的至少一個陽極側(cè)和/或陰極側(cè)可以采用分批處理(batch process)或單次使用處理(single use process)(更類似于電池組)進行處理。
[0006]已存在多種的直接碳燃料電池，例如具有熔鹽電解質(zhì)的電池、具有含固態(tài)膜的電解質(zhì)的電池和具有兩者組合的電池。在基于熔鹽的電池中，碳酸根(CO32-)或氫氧根(0H-)是主要的氧化劑離子，而在固體電解質(zhì)系統(tǒng)中，氧陰離子如02_為主要的氧化劑。
[0007]許多熔鹽系統(tǒng)存在著腐蝕相關(guān)的難題。電解質(zhì)完全為固態(tài)的電池遭受著傳質(zhì)問題(這是由于固體電解質(zhì)和燃料之間的接觸減少了)。
[0008]直接碳燃料電池的實例在W02006/061639和US2006/0019132中所描述的，其中描述了具有固體電解質(zhì)以及含燃料和液體電解質(zhì)的陽極的電池。
[0009]在包括固體氧化物電解質(zhì)的直接碳燃料電池的理想陽極反應(yīng)中，碳直接氧化為二氧化碳，如下所示:
[0010]C+202 — C02+4e
[0011]然而，實際的陽極反應(yīng)可能是更復(fù)雜的。例如，碳的部分氧化變成一氧化碳也是可能的:[0012]C+02- —C0+2e-
[0013]這些反應(yīng)需要固體/固體相互作用，因為02_離子是由固體電解質(zhì)提供。然而，還具有熔融碳酸鹽電解質(zhì)的直接碳燃料電池也可促進該反應(yīng)進行，因為該熔融碳酸鹽可以作為一種介質(zhì)(mediator),如下所示:
[0014]C+2C0 廣—3C02+4e-
[0015]C+C0 廣—C0+C02+2e_
[0016]這些反應(yīng)可以隨后進行碳酸根離子的再生，如下所示:
[0017]C02+02-—⑶廣
[0018]碳也可以通過非電化學(xué)反應(yīng)如所公知的逆鮑多爾德反應(yīng)進行轉(zhuǎn)化:
[0019]C+C02 —2C0
[0020]在上述一些反應(yīng)中產(chǎn)生的一氧化碳可以轉(zhuǎn)化為電力(通過在直接碳燃料電池的陽極進行一氧化碳的電化學(xué)氧化)，如下所示:
[0021 ] C0+02 — C02+2e
[0022]雖然以上所描述的直接碳燃料電池系統(tǒng)表現(xiàn)出很好的潛力，但是本發(fā)明的至少一個目的是在于改良直接碳燃料電池系統(tǒng)的性能和/或?qū)⒅苯犹既剂想姵氐闹辽僖粋€難題降至最低或消除，特別是關(guān)于生產(chǎn)可商業(yè)化的或可大規(guī)模的系統(tǒng)。
[0023]特別地，本發(fā)明的至少一種實施方式的至少一個目的在于提供一種改良的直接碳燃料電池系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠由碳燃料源(包括廣泛可用的廢物產(chǎn)品)提供高功率密度，從而提供一種實用的系統(tǒng)，其可獲得具有競爭力的性能和耐久性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0024]根據(jù)本發(fā)明，提供一種用于產(chǎn)生電力的電化學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括電化學(xué)電池，該電化學(xué)電池包括陰極、固態(tài)的第一電解質(zhì)和陽極，其中，所述系統(tǒng)還包括適于接收第二電解質(zhì)和燃料的陽極室。
[0025]所述系統(tǒng)可以包括直接碳燃料電池系統(tǒng)或包含在直接碳燃料電池系統(tǒng)中。
[0026]所述系統(tǒng)為可運作的或配置成可在600-850°C的溫度下運作。相反地，傳統(tǒng)的含有固體電解質(zhì)的直接碳燃料電池系統(tǒng)通常在高至1000 V的溫度下使用。
[0027]所述系統(tǒng)可以包括混合燃料電池系統(tǒng)(hybrid fuel cell system)或包含在其中。所述第二電解質(zhì)優(yōu)選可以在運作條件下(例如，在600-850°C的范圍內(nèi))至少部分地為熔融。所述電解質(zhì)可以含有在運作條件下的熔鹽。所述燃料可以為固體且可以是粉末的或顆粒形式的。所述燃料可以至少部分地分布在所述第二電解質(zhì)中。
[0028]所述第一電解質(zhì)和/或陽極和/或陰極可以通過采用薄膜工藝提供。該電解質(zhì)可以為薄膜電解質(zhì)，其支撐在較厚的電極上，該電極一般為陽極。該電解質(zhì)可以小于50μπι厚，優(yōu)選小于10 μ m厚。一般來說陽極支撐體可以為0.2-lmm厚。
[0029]所述陽極室可至少部分由陽極外殼限定。所述陽極外殼可以構(gòu)成至少一個陽極室壁，該壁可以形成空心結(jié)構(gòu)，如圓柱形。所述陽極室可以至少部分是封閉的，例如，通過可從至少一個陽極室壁延伸的封閉部件。所述陽極外殼可以限定孔。所述陽極外殼的孔可以是封閉的或通過電化學(xué)電池可封閉的，也即所述陽極室由至少一個陽極室壁、所述封閉部件和所述電化學(xué)電池限定。[0030]所述陽極室可以包括至少一個氣體入口和/或出口，例如，用于提供和/或排出吹掃氣體。所述系統(tǒng)可以配置成可提供吹掃氣體，該吹掃氣體包括或由二氧化碳或惰性氣體組成，如氦氣、氬氣或氮氣或含有蒸汽以幫助氣化。
[0031]該至少一個陽極室壁和所述陽極外殼的封閉部件可以一體形成。有利地，所述陽極外殼可以由不銹鋼組成或含有不銹鋼，例如SS316級不銹鋼。所述陽極室可以選擇性地由陶瓷材料組成或含有陶瓷材料如氧化鋁。
[0032]所述陽極室可以提供有至少一個且優(yōu)選地多個支撐部件以用于支撐所述電化學(xué)電池。所述支撐部件可以從所述封閉部件和/或至少一個室壁延伸。所述支撐部件可以與所述封閉部件和/或所述室壁形成一體。所述支撐部件可以延伸至大體上與由所述陽極室壁(即最接近所述電化學(xué)電池的陽極室壁的部分)的一端限定的孔在同一水平上或在同一個平面的位置。在使用時，所述支撐部件可以在所述系統(tǒng)的至少一種運作條件下被布置成接觸、支撐所述電化學(xué)電池，和/或?qū)ζ涫┘訅毫?。提供這樣的支撐部件可以防止電化學(xué)電池的變形。
[0033]所述系統(tǒng)可以包括陽極室密封件。所述陽極室密封件可以提供在所述陽極室壁的遠(yuǎn)端面上(即最接近所述電化學(xué)電池的所述陽極室的面)。這樣，所述陽極室密封件可以提供在或是可提供的在所述陽極外殼和所述電化學(xué)電池之間。所述陽極室密封件優(yōu)選為平面的并且可以成形為配合所述陽極室壁的外端的形狀，例如，以環(huán)的形式。
[0034]所述陽極室密封件可以包括至少第一和第二密封件。
[0035]陽極側(cè)電流收集器可以提供在所述電化學(xué)電池的陽極側(cè)上，例如，在所述陽極室中或接近所述陽極室。該陽極側(cè)電流收集器可以包括金屬線和/或網(wǎng)，例如，鎳網(wǎng)或銀網(wǎng)。所述陽極側(cè)電流收集器可以包括一個或一個以上大體上平坦的網(wǎng)片。電連接器可以從所述陽極側(cè)電流收集器延伸出來，并可以至少在第一和第二陽極密封件之間延伸，從而從所述陽極室向外延伸以允許對所述陽極側(cè)電流收集器提供電連接。所述陽極側(cè)電流收集器可以固定在所述至少一個陽極室壁和所述電化學(xué)電池的陽極之間，并優(yōu)選地被密封在第一和第二陽極密封件的部分之間。
[0036]所述陽極外殼可以安裝于陰極外殼或是可安裝于陰極外殼的，從而在所述陽極外殼和陰極外殼之間提供固定和/或夾著所述電化學(xué)電池，并且所述固體陽極朝所述陽極外殼提供且所述陰極朝所述陰極外殼提供。
[0037]應(yīng)當(dāng)理解的是所述電化學(xué)電池可以包括至少一個支撐基底(和/或互連層。
[0038]所述陰極外殼可以包括一個或多個開口，例如，為了吸納和/或排出如空氣和/或氧氣的氧化劑。該開口可以形成氣流模式/圖案。所述陰極室可以由不銹鋼形成，例如不銹鋼316。
[0039]所述陰極室可以提供有陰極側(cè)電流收集器。所述陰極側(cè)電流收集器可以包括金屬線或網(wǎng)，如銀或不銹鋼網(wǎng)，并且優(yōu)選為涂銀的不銹鋼網(wǎng)。涂銀的電流收集器可以改善所述陰極側(cè)電流收集器的抗氧化性。
[0040]連接器可以提供在所述陰極和所述陰極側(cè)電流收集器之間。該連接器可以包括膠帶和/或糊劑。所述連接器可以包括陰極材料，如固體氧化物，例如亞猛酸銀鑭(LanthanumStrontium Manganite, LSM)。所述膠帶可以為200-400 μ m厚。在所述陰極和所述陰極側(cè)電流收集器之間提供所述膠帶可以改善所述陰極的電流收集情況。[0041 ] 陰極側(cè)密封件可以提供在所述電化學(xué)電池的陰極和所述陰極外殼之間。所述陰極側(cè)密封件可以包括至少兩個且優(yōu)選至少三個陰極密封件。至少第一陰極密封件可以提供在所述陰極和所述陰極側(cè)電流收集器之間。至少一個且優(yōu)選至少兩個第二陰極密封件可以提供在所述陰極側(cè)電流收集器和所述陰極外殼之間。
[0042]所述陽極室密封件和/或陰極側(cè)密封件可以包括電絕緣密封件。所述陽極室密封件和/或陰極側(cè)密封件可以包括礦物密封件。所述陽極室密封件和/或陰極側(cè)密封件可以包括滑石、蛭石和/或蛭石衍生物(例如剝離的蛭石顆粒，例如熱和/或化學(xué)剝離的蛭石顆粒的至少一種。所述陽極室密封件和/或陰極側(cè)密封件優(yōu)選可以為無聚合物的。已發(fā)現(xiàn)，包括這些材料的密封件特別地適用于直接碳燃料電池中，其能夠在高運作溫度下(如600-8500C )提供穩(wěn)定密封，并且已發(fā)現(xiàn)在運作條件下能夠抵抗所述第二電解質(zhì)的碳酸鹽降解。如上所述的密封布置還可以有助于克服與熱膨脹失配相關(guān)的難題，例如在所述陽極和/或陰極外殼與所述電化學(xué)電池之間。
[0043]在一種可供選擇的或附加的實施方式中，至少一個以上提及的密封件可以包括陶瓷和/或陶瓷粘合劑。
[0044]所述系統(tǒng)可以是壓縮密封的或是可壓縮密封的。例如，至少一個且優(yōu)選至少兩個螺栓孔可以提供在所述陽極外殼和/或陰極外殼中。優(yōu)選地，提供有至少四個螺栓孔。所述螺栓孔可以提供成相反對。電絕緣材料套，例如氧化鋁管，可以提供在(或是可提供的在)至少一個且優(yōu)選每個螺栓孔中，從而所述電絕緣材料套將安置在所述陽極和/或陰極外殼且可提供在所述螺栓孔中的任何螺栓之間。這樣，可以在所述陽極和所述陰極外殼之間采用螺栓充分地施加壓力，同時所述電池的短路可被所述絕緣套阻止。已發(fā)現(xiàn)，如上所述的壓縮密封布置特別適合于防止泄漏。 [0045]所述電化學(xué)電池可以包括平板電池。所述系統(tǒng)可以配置為提供有多個相似的系統(tǒng)的以形成堆疊。
[0046]所述陽極和/或陰極在運作條件下可以為固態(tài)的。所述陽極、電解質(zhì)和/或陰極的至少一種可以包括固體氧化物材料。
[0047]所述陰極可以包括至少一種固態(tài)金屬氧化物，例如亞錳酸鍶鑭(LSM)、摻鑭的鍶鈷氧化物(lanthanum doped strontium cobalt oxide, LSC)或具有式(A1^Srx) !-yB03_δ 的混合離子/電子導(dǎo)電陶瓷，其中A可以為鑭或鋇且B可以為錳、鐵、鈷或它們的組合。所述陰極可以包括除了上述的陰極材料以外的氧化乾穩(wěn)定的氧化錯(yttria stabilisedzirconi, YSZ)。
[0048]所述系統(tǒng)可以包括隔層，該隔層在所述陰極上的或接近所述陰極。所述隔層可以提供在所述陰極和所述第一電解質(zhì)之間。所述隔層可以具有不同于所述第一電解質(zhì)和陰極的材料組合物。這樣的隔層的應(yīng)用通過防止所述陰極和第一電解質(zhì)的反應(yīng)而允許使用最優(yōu)的陰極和電解質(zhì)材料?？捎迷诟魧又械倪m合的材料的實例為摻釓的氧化鈰。
[0049]所述固體陽極可以包括固態(tài)的金屬和/或金屬氧化物，例如鎳鈀、鋅、鐵或氧化鈰。所述金屬氧化物可以被碳燃料在原地還原。合適的陽極材料的實例包括氧化鎳復(fù)合材料和YSZ、鎳金屬陶瓷。
[0050]所述第一電解質(zhì)可以包括傳導(dǎo)氧離子的固體金屬氧化物，如氧化鉿、氧化鋯、氧化鋁、氧化釔、氧化鈰、鎵酸鑭或類似的。[0051]所述第一電解質(zhì)可以優(yōu)選地和有利地包括氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯且可以具有立方晶體結(jié)構(gòu)。
[0052]所述第二電解質(zhì)可以在運作條件下為熔融的。第二電解質(zhì)可以包括任意以下的金屬氫氧化物/碳酸鹽:氫氧化鋰、氫氧化鈉、氫氧化鉀或其混合物；碳酸鋰、碳酸鈉、碳酸鉀或其混合物。優(yōu)選地所述第二電解質(zhì)可以包括以62:38m0l%比的鋰和碳酸鉀的混合。
[0053]所述陽極室可以含有或配置為接收固體燃料材料，例如含碳燃料。所述燃料可以為微?；蚍勰┬问降模缥⒚椎幕蚣{米的微粒形式。所述燃料可以包括，例如，熱解的中等密度纖維板(pyrolysed medium density fibreboard, p-MDF)、煤、焦炭、石墨、炭黑、活性炭或類似的。
[0054]所述電化學(xué)電池系統(tǒng)可運作使用和/或所述陽極室可以含有或配置為接收至少I: I的重量比的所述燃料和所述第二電解質(zhì)，優(yōu)選至少2:1的重量比以及最優(yōu)選至少4:1的重量比。例如，所述第二電解質(zhì)可以有利地提供有25wt.%或更少(相對于所述燃料)。所述電化學(xué)電池系統(tǒng)可運作使用和/或所述陽極室可以含有或配置為接收大于80:20的摩爾比的所述燃料和第二電解質(zhì)以，優(yōu)選以大于90:10的摩爾比以及最優(yōu)選至少為95:5，例如97:3。
[0055]所述陽極室可以含有或配置為接收催化劑，所述催化劑可以為顆?；蚍勰┬问降?。所述催化劑可以包括金屬例如鎳、鉬、鈀、銅和/或鐵?？梢蕴峁┲辽買Owt.%的催化劑(相對于電解質(zhì))并且優(yōu)選提供至少25wt.%。
[0056]所述陽極室可以提供有拌器、攪拌棒或類似的或經(jīng)受超聲處理。
[0057]所述系統(tǒng)可以包括向所述陽極室輸送燃料和/或第二電解質(zhì)的送料機。
[0058]所述系統(tǒng)可以作為燃料電池運作或包含在或可包含在燃料電池中。
[0059]所述系統(tǒng)可以作為電池組運作或包含在或可包含在電池組中。
[0060]根據(jù)本發(fā)明的第二方面為包括至少兩個根據(jù)本發(fā)明的第一方面的系統(tǒng)的堆疊或組裝。該至少兩個系統(tǒng)可以通過共同的燃料供給和/或排出和/或共同的氧化劑供給和/或排出進行連接和/或進行電連接。
[0061]根據(jù)本發(fā)明的第三方面為一種與根據(jù)本發(fā)明的第一方面的系統(tǒng)一起使用的陽極夕卜殼。
[0062]所述陽極外殼可以限定陽極室。所述陽極外殼可以包括至少一個室壁，該壁可以是至少部分封閉的，例如通過封閉部件(可能從至少一個室壁延伸以至少部分封閉的該外殼的一端)。所述陽極室可以包括開口端。
[0063]所述陽極室可以提供有用于支撐電化學(xué)電池的至少一個且優(yōu)選地多個支撐部件。所述支撐部件可以從所述封閉部件和/或至少一個室壁延伸。所述支撐部件可以與所述封閉部件和/或所述室壁一體形成。所述支撐部件可以包括柱狀物。所述支撐部件可以延伸至大體上與由所述陽極外殼的一端限定的孔在同一水平上或在同一個平面的位置。
[0064]所述陽極室可以包括陽極室密封件，其可以提供在所述室壁的外端，例如所述陽極外殼的開口端，例如與所述封閉部件相對的一端。所述陽極室密封件優(yōu)選為平面的且可以成形為配合所述陽極室壁的外端的形狀，例如，其可以是環(huán)形。
[0065]所述陽極室密封件可以包括至少第一和第二陽極密封件。
[0066]所述陽極密封件可以包括礦物密封件。所述陽極密封可以包括滑石、蛭石和/或蛭石衍生物,例如剝離的蛭石顆粒,例如熱和/或化學(xué)剝離的蛭石顆粒。所述陽極室密封件可以優(yōu)選為無聚合物的。
[0067]根據(jù)本發(fā)明的第四方面是一種組裝根據(jù)本發(fā)明的第一方面所述的直接碳燃料電池的方法，該方法包括在根據(jù)本發(fā)明的第三方面所述的陽極外殼和陰極外殼之間壓縮密封電化學(xué)電池，其中，在所述陽極室和/或所述電化學(xué)電池和/或所述陰極室之間提供至少一個密封件。
[0068]所述密封件可以包括至少一個與本發(fā)明的任何其他方面相關(guān)的密封件的特征。
[0069]根據(jù)本發(fā)明的第五方面是一種運作根據(jù)本發(fā)明的第一方面所述的電化學(xué)電池或根據(jù)本發(fā)明的第二方面所述堆疊或組裝以生產(chǎn)電能的方法。
[0070]該方法可以包括將所述電化學(xué)電池和/或堆疊或組裝與電力負(fù)載連接起來和/或向所述陽極室供應(yīng)燃料和/或向所述陰極供應(yīng)氧化劑。
[0071]該方法可以包括向所述陰極室供應(yīng)吹掃氣體。所述吹掃氣體可以包括氮氣或氬氣但是優(yōu)選包括二氧化碳或由二氧化碳組成。
[0072]相關(guān)于任何上述方面的特征的類似特征可以適用于任何其他上述的方面。相關(guān)于裝置的類似方法特征或相關(guān)于任何上述方法的特征的裝置特征也可以提供。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0073]本發(fā)明的多個方面現(xiàn)將僅通過實施例的方式以及參考附圖來進行描述，其中:
[0074]圖1為根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式的電化學(xué)電池；
[0075]圖2為圖1的電化學(xué)電池的陽極室；
[0076]圖3為圖1的電化學(xué)電池的陰極室；
[0077]圖4為在圖1的電化學(xué)電池中用作燃料的一個例子的p-MDF的掃描電子顯微照相；
[0078]圖5為圖1的電池隨時間的開路電壓(Open Circuit Voltage)繪圖；
[0079]圖6表示的是在一溫度范圍下圖1的電池的偏振和功率密度(power density)繪圖；
[0080]圖7表示的是當(dāng)在650°C穩(wěn)壓下運作時電池中的電流隨時間的變化；
[0081]圖8表示的是當(dāng)在750°C穩(wěn)壓下運作時電池中的電流隨時間的變化；
[0082]圖9表不的是根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式的電化學(xué)電池；
[0083]圖1Oa為在750°C下在不存在第二電解質(zhì)的情況下采用與圖9所示的類似的電池采集的AC阻抗圖譜，其中，以氮氣作為吹掃氣體且該電池具有Imm厚的固體電解質(zhì)且陰極包括LSM ；
[0084]圖1Ob為采用與圖1Oa中采集圖譜時相當(dāng)?shù)碾姵貋聿杉腁C阻抗圖譜，但是該電池含有第二(熔融的碳酸鹽)電解質(zhì)；
[0085]圖1Oc為采用與圖1Ob中采集圖譜時相似的電池來采集的AC阻抗圖譜，但是該電池具有5 μ m厚的薄膜電解質(zhì)；
[0086]圖1Od為采用與圖1Oc中采集圖譜時相似的電池來采集的AC阻抗圖譜，但是采用CO2作為吹掃氣體；
[0087]圖1Oe為采用與圖1Od中采集圖譜時相似的電池來采集的AC阻抗圖譜，但是其中該電池具有包括LSC的陰極；
[0088]圖11表示的是在750°C下采用如上圖1Oc和IOd所述的電池獲得的電池性能繪圖；
[0089]圖12a為采用具有在YSZ電解質(zhì)上的LSM/YSZ組合物(重量比為50:50)電極的對稱電池(sy_etrical cell)來收集的減去歐姆電阻的AC阻抗圖譜；
[0090]圖12b為采用具有在摻Gd 二氧化鈰電解質(zhì)上的組合物L(fēng)SC電極的對稱電池來收集的減去歐姆電阻的AC阻抗圖譜；
[0091]圖13表示的是具有LSC陰極、5 μ m厚的YSZ電解質(zhì)、鎳金屬陶瓷陽極和在該陰極和電解質(zhì)間的Cetl.9Gd0.A內(nèi)層的電池在750°C下的電流-電壓特性；
[0092]圖14表示的是采用相對于圖13所述的電池來獲得的電流密度相對時間的繪圖；
[0093]圖15為包括Ni/YSZ陽極、5 μ m厚的YSZ電解質(zhì)和LSM/YSZ組合物陰極的電池的SEM截面圖；
[0094]圖16a為新制備的YSZ的表面的SEM圖；
[0095]圖16b為圖16a的YSZ在700°C下在碳酸鋰和碳酸鉀中浸蝕10小時后的SEM圖；
[0096]圖17為YSZ膜表面的SEM圖，該膜已被用作圖9的電池中的電解質(zhì)，其中，其表面在700°C下在碳酸鋰 和碳酸鉀中處理了 10小時且對該電池進行電化學(xué)操作以及其中(該膜)所顯示的部分位于陽極邊緣附近。
【具體實施方式】
[0097]圖1表示的是直接碳燃料電池系統(tǒng)5的截面。該系統(tǒng)5包括提供在電池外殼15內(nèi)固體氧化物電化學(xué)電池10。該電化學(xué)電池10包括固體氧化物陽極20、離子傳導(dǎo)固體氧化物電解質(zhì)25和固體氧化物陰極30。
[0098]外殼15包括兩個不同的部分35、40，如圖2和3所不，即陽極外殼35和陰極外殼40，其被壓縮密封在一起從而將電池10夾在中間，且電池10的陽極20面向陽極外殼35而電池10的陰極30面向陰極外殼40。在使用時，電池10被布置成使得陽極外殼35形成了系統(tǒng)5的上端或頂部而陰極外殼40形成了系統(tǒng)5的下端或底部。陽極外殼35比陰極外殼大且配置為能承載燃料、催化劑和第二電解質(zhì)(在運作溫度下為熔融的)的混合物。
[0099]陽極側(cè)電流收集器85提供在臨近陽極20處并且陰極側(cè)電流收集器100提供在臨近陰極30處。多個電絕緣密封件75、80、95、105提供在陽極外殼35、電化學(xué)電池10和陰極外殼40之間，以使得電化學(xué)電池10僅與密封件80、105和電流收集器85、100接觸。
[0100]在圖1所示的特定的電化學(xué)電池10中，陽極20含有摻鎳氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯(N1-YSZ)。薄膜電解質(zhì)25由YSZ形成并配置在所述陽極上。薄膜陰極30含有亞錳酸鍶鑭(LSM)或LSM/YSZ復(fù)合物并提供在所述電解質(zhì)上。
[0101]陽極20和陰極30比電解質(zhì)25更為多孔的和更低密度的。合適的陽極組成的實例為60wt.%的氧化鎳和40wt.%的￥32，而合適的陰極組成為50wt.和50wt.%的YSZ0在該實例中，陽極20為1mm厚而電解質(zhì)25為5μπι厚。然而，應(yīng)當(dāng)理解的是這些尺寸和組成是可以變化的或者可以采用本領(lǐng)域所公知的其他的固體氧化物電池配置進行替換。這樣的薄膜電池10可以通過本領(lǐng)域公知的技術(shù)進行生產(chǎn),例如衆(zhòng)料涂覆(slurry coating)和/或絲網(wǎng)印刷。[0102]雖然電池10可以為平面的或圓柱形的，但本文中所示的實施方式優(yōu)選的電池構(gòu)型為平面的。根據(jù)不同的實施方式，電池10既可以為陽極支撐型電池也可以為電解質(zhì)支撐型電池，其中所示支撐部件通常制作成更厚從而給予所示電池額外的機械整體性。然而，圖1中所示的電池10有利地為陽極支撐電池。此外，雖然電池10可以根據(jù)其應(yīng)用而被提供為任何合適的形狀，例如正方形或矩形，在本文的所描述的實施方式中，電池10為圓形的。
[0103]外殼15是由不銹鋼形成的，例如316級不銹鋼。
[0104]陽極外殼35通常為圓柱形且包括空心圓柱形式的陽極外殼壁45并在第一(近端)端處被陽極外殼的端壁50封閉。電池10被提供在陽極外殼壁45的第二(遠(yuǎn)端)端70處且對立于端壁50,從而封閉第二(遠(yuǎn)端)端。這樣，陽極外殼壁45、端壁50和電池一起限定了陽極室52。如圖2所示，多個獨立的支撐柱狀物55從陽極外殼35的端壁50延伸出來并伸入陰極室52中從而它們的末端將與陽極室壁45的第二(末尾的)端70 (鄰近電池10)在同一水平上或共平面。在該實施方式中，中心柱狀物55提供在陽極室52的中心且多個進一步的柱狀物55布置成一個或多個圍繞該中心柱狀物55的同心圓。這樣，當(dāng)系統(tǒng)5進行組裝時，柱狀物55可以向電池10施加壓力和/或向電池10提供額外的機械支撐(在至少一種該電池的運作條件下)。
[0105]在該實施方式中，陽極室壁45、陽極外殼35的端壁50和柱狀物55將整體成形，有利地機械加工成形為單一部分從而將密封需求降至最低和減少了泄漏的幾率。然而，在另一種實施方式中，陽極外殼35可以形成為兩個或兩個以上的獨立部分。
[0106]吹掃氣體入口 60和吹掃氣體出口 65提供在陽極外殼35的近端壁50處。這樣，可以向陽極室52提供吹掃氣體。所述吹掃氣體可以為，例如，二氧化碳、氮氣或氬氣。有利地，發(fā)現(xiàn)采用二氧化碳吹掃陽極室52時可以增加系統(tǒng)5的能量輸出(相比于采用氮氣吹掃氣體的情況)。采用的吹掃氣體的速率取決于陽極室52的尺寸和運作條件，但是可以為，僅作為示例，約20mL/min。
[0107]雖然并未給出，應(yīng)當(dāng)理解的是陽極外殼35可以提供有燃料入口和/或出口以根據(jù)需要向陽極室52提供新鮮的燃料，例如，在連續(xù)的或半連續(xù)的工藝中。然而，應(yīng)當(dāng)理解的是系統(tǒng)5還可以配置成適用于批模式(batch mode)或作為單次使用系統(tǒng)(類似于電池組)，其中系統(tǒng)5—直運作直至燃料用盡。在批模式中，燃料可以重新定期補充或更換。如圖1所示的系統(tǒng)5和本文描述的實驗結(jié)果是關(guān)于批運作(batch operation)的(僅作為示例)。
[0108]陽極室壁45的一端70 (鄰近電池10在陽極外殼35的第二(末尾的)端處)提供有第一和第二密封件75、80，陽極外殼35的第一和第二密封件75、80每個包括由電絕緣的、無聚合物的化學(xué)膨脹蛭石和滑石形成的層，例如，由Flexitalllic市售的商品號Thermiculite? 886。有利地,在一種實施方式中，每個密封層具有300ym-lmm的厚度。每個密封件75、80提供為環(huán)形以配合陽極外殼壁45的末端70的外形。
[0109]陽極側(cè)電流收集器85包括擴張鎳網(wǎng)片，該片置于陽極外殼35的開口第二端70處面向電池10從而至少部分地由密封件75、80支撐。電連接器從陽極電流收集器85延伸出至陽極室52外并在第一和第二陽極密封件75、80之間以允許實現(xiàn)外部的電連接。陽極電流收集器85提供在鄰近陽極20處且部分電流收集器被支撐在第一和第二密封件75、80的內(nèi)部之間從而防止液體電解質(zhì)的泄漏。
[0110]如圖1和圖3所示的，陰極外殼40提供有空氣流通道90以限定空氣入口和出口并引導(dǎo)空氣流入和流出陽極30。包括兩個密封層的第四密封件105提供在陰極外殼40和陰極30之間，每個密封層含有礦物基材(例如相對于第一和第二陽極密封所述的)。第四密封件105限定了開口以使得陰極外殼40中的空氣流通道90和陰極30間的空氣流成為可能，同時防止空氣從系統(tǒng)5的側(cè)邊穿過密封件105逃逸。
[0111]陰極側(cè)電流收集器100包括鍍銀的不銹鋼擴張網(wǎng)(expanded mesh)且提供在鄰近第四密封層105處。所述銀涂層將防止陰極側(cè)電流收集器100的腐蝕，否則可能增強電流收集器100的電阻。第三密封件95包括礦物基的環(huán)形片(其限定了孔)，其提供在陰極側(cè)電流收集器100以及電化學(xué)電池5的陰極30和陽極側(cè)的第二密封件80兩者之間。第三密封件95的成分如上面相對于第一和第二陽極密封所述的一樣。將所述第三密封件成形為且定尺為圍住電池10外周的密封。陰極側(cè)電流收集器100至少部分地延伸至由第三密封件95的孔限定的區(qū)域并且該陰極側(cè)電流收集器的一部分被支撐在第三和第四密封件95、105之間。電連接器從陰極側(cè)電流收集器100延伸出至外殼15外并在第三和第四密封件95、105之間以允許建立與負(fù)載之間的電連接。
[0112]導(dǎo)電膠帶層110提供在由第三密封件95限定的孔中且在陰極側(cè)電流收集器100和陰極300之間延伸，從而該膠帶110將作用為導(dǎo)電互連(conductive interconnect)。該膠帶110包括陰極材料(例如LSM)且為，例如，約300微米厚。
[0113]陽極外殼35和陰極外殼40兩者都提供有互補的螺栓孔115。螺栓孔115提供有絕緣套(未顯示)，例如氧化鋁管，從而螺栓(未顯示)可以在陽極和陰極外殼35、40兩者中穿過該絕緣套和螺栓孔115從而將電池10壓縮密封在陽極和陰極外殼35、40和密封件75、80、95、105 之間。
[0114]作為制備合適的陽極支撐的電化學(xué)電池的實例，將氧化鎳和YSZ以60:40的重量比進行球磨混合，并將之形成Imm厚的陽極。將YSZ漿體(與有機溶劑、粘合劑和聚合物一起球磨形成)涂在該陽極基底上。燒結(jié)該包括陽極和固體電解質(zhì)的半電池，例如，在1350°C下燒結(jié)5小時。然后將所述LSM陰極絲網(wǎng)印刷在固體電解質(zhì)上?？蛇x擇地，所述陽極和陰極可以部分地涂有銀衆(zhòng)(silver paste)。
[0115]在該示例中，固體燃料120為微粒碳的形式，并且更具體地，將熱解的中等密度纖維板(p-mdf)提供在陽極室52中。在該特別的示例中，p-mdf以三種顆粒尺寸(10、15和20目)的混合物(含量大體相同)提供。該p-mdf顆粒的掃描電子顯微照片如圖4所示。
[0116]熔融的電解質(zhì)125包括在系統(tǒng)5的運作溫度下(如600-800°C )熔融的碳酸鹽。在該特別的示例中，液體的電解質(zhì)125是以62:38的摩爾比的碳酸鋰和碳酸鉀的低共熔混合物(eutectic mix)。能夠融化以形成電解質(zhì)125的材料是通過以所需比例混合碳酸鹽并在丙酮中球磨制得的。
[0117]所述陽極室在最開始時提供有熔融的電解質(zhì)125的材料和燃料120的混合物(20mol %的電解質(zhì)，80mol %的燃料)。還向該液體的電解質(zhì)/燃料混合物中提供有25wt.%(相對于電解質(zhì))的鎳金屬粉末以增強催化活性。將該燃料/電解質(zhì)/燃料混合物倒入陽極室52中以與陽極20接觸，并且通過加入額外的燃料120將陽極室52裝滿至剛好在吹掃氣入口 60和出口 65以下的水平，這樣所述電解質(zhì)/燃料/催化劑混合物就可提供在鄰近陽極20處并有額外的燃料120提供在該電解質(zhì)/燃料層上。用于容納吹掃氣體的空間在該額外的燃料120的上面。[0118]應(yīng)當(dāng)理解的是，在使用中，系統(tǒng)5可以與多個類似的系統(tǒng)5進行聯(lián)用，串聯(lián)形成堆疊，如本領(lǐng)域所公知的。系統(tǒng)5提供有輔助的環(huán)境的控制裝置(未顯示)，例如加熱器、熱交換器、冷卻系統(tǒng)等類似物，正如本領(lǐng)域所公知的。系統(tǒng)5可采用控制器(未顯示)來運作，例如，控制電力輸出、燃料和/或氧化劑的供應(yīng)、吹掃氣體的供應(yīng)和熱控制的至少一種。
[0119]作為系統(tǒng)性能的證明，本文提供了使用上述系統(tǒng)在批模式下的運行數(shù)據(jù)的示例。
[0120]采用4線測量配置進行電化學(xué)測量。
[0121]在室溫下采用氮氣對陽極室52進行沖刷以去除所有氧氣。以升溫速率0.7V Mn將系統(tǒng)5加熱至500°C，隨后再以2V /min加熱至600°C。向陰極供應(yīng)空氣流。
[0122]圖5表示的是該系統(tǒng)在800°C下且在陽極室52中未有氣體流時記錄的開路電壓(OCV)，其顯示獲得了穩(wěn)定的0CV。而陽極室中的氮氣流引起了電池電壓的少許降低。然而，超過IV的OCV還是顯然可獲得的。在碳酸鹽熔體中加入鎳催化劑增加了 0CV。
[0123]圖6表不的是在650_820°C的范圍內(nèi)的不同溫度下由系統(tǒng)5獲得的偏振曲線和相關(guān)的功率密度。最大功率密度為72mW/cm2，最大功率超過1W(此時電池具有的表面面積為16cm2)并在770°C下獲得。通過圖6可以看出OCV隨著溫度增長。對于每個所測試的溫度來說，OCV都在IV以上。
[0124]圖7和8表示的是在恒定的負(fù)載和恒定的溫度下的電流的短期變化。兩個測量都是在一旦系統(tǒng)5在選定的溫度下穩(wěn)定后進行取值的。圖7表示的是系統(tǒng)在650°C下的短期電流變化。由該圖可以看出電流隨時間穩(wěn)定增長。圖8表示的是在750°C下的短期電流變化，其中電流初始時有少許下降，然后緩慢到達(dá)穩(wěn)定值。
[0125]另一種混合直接碳燃料電池系統(tǒng)1000在圖9中示出，其用于展示某些運行參數(shù)和設(shè)計方案對系統(tǒng)1000的性能的影響。
[0126]系統(tǒng)1000包括電化學(xué)電池1015，該電池反過來包括固體陽極1010、固體電解質(zhì)1045和固體陰極1030。陽極1010、電解質(zhì)1045和陰極1030中的每一個都含有固體氧化物材料。
[0127]第一氧化鋁管1005密封在電化學(xué)電池1015的陽極1010上從而形成陽極室1020。第一氧化鋁管1005是采用陶瓷密封件1040密封在電池1015上的。例如，合適的密封件可以從基于氧化招的糊劑如Aremco? Ceramabond? 552制備而得。
[0128]第二氧化鋁管1025固定在電池1015的陰極1030上以形成陰極室1035。
[0129]在一種實施方式中，電化學(xué)電池1015為電解質(zhì)支撐型電池(electrolytesupported cell)，其中 NiO-YSZ 陽極(60/40 的比例)1010 和 LSM-YSZ 組合物陰極 1030 通過絲網(wǎng)印刷到干壓的Imm厚的YSZ電解質(zhì)1045的相對兩側(cè)。將陽極1010和電解質(zhì)1045在1350°C下煅燒2小時然后將陰極1030在1100°C下煅燒2小時。
[0130]在另一種實施方式中，電池1015是一種陽極支撐型電池(anode supportedcell)，其具有與電解質(zhì)支撐型電池相同的陽極、電解質(zhì)和陰極材料。該陽極支撐型電池1015是通過漿涂料制備的，其中將陽極材料磨碎并形成為Imm厚的基底。將YSZ漿體(與有機溶劑、粘合劑和聚合物一起球磨形成)涂在該陽極基底上。然后將陽極1010和電解質(zhì)1045在1350°C下燒結(jié)5小時。然后將陰極材料絲網(wǎng)印刷到電解質(zhì)1045與陽極1010的相反側(cè)并進行煅燒。在該實施方式中，陽極1010為Imm厚而電解質(zhì)1045為5 μ m厚。
[0131]對于所述陽極支撐型電池和所述電解質(zhì)支撐型電池兩者，陽極1010和陰極1030上都涂上銀漿1050以作為電流收集器。
[0132]進一步的氧化鋁管1055、1060插入到陽極室和陰極室1020、1035中。銀線1065、1070從相應(yīng)的電流收集器1050開始繞并穿過該進一步的氧化鋁管1055、1060從而提供外部的電連接以作測量用?？刂苽鞲衅?075如熱電偶也可以穿過該進一步的氧化鋁管1055、1060。此外，吹掃氣體1080還可以通過所述陽極側(cè)的該進一步的鋁管1055提供。
[0133]陽極室1020填充有燃料1085和第二電解質(zhì)1090的混合物。燃料1085為熱解的中等密度纖維板(P-mdf)。該p-mdf是通過在400°C下在氮氣中熱解mdf達(dá)10小時而制備的并且其具有70.4%的C、4.6%的N和3.5%的H的組合(余數(shù)為氧)。第二電解質(zhì)1090包括在運作溫度(如約600-800°C左右)下為熔化的金屬碳酸鹽。在此情況下，第二電解質(zhì)1090包括62:38摩爾比的碳酸鋰和碳酸鉀的低共熔混合物。以4:1的重量比提供燃料1085和第二電解質(zhì)1090。
[0134]如果系統(tǒng)1000包括電解質(zhì)支撐型電池1015且在不存在第二電解質(zhì)1090下進行運行，即如此陽極室1020只含有燃料1085，然后整個系統(tǒng)的電阻在750°C下將在11 Qcm2以上。從該系統(tǒng)采集的AC阻抗圖譜如圖1Oa中所示。
[0135]圖1Ob表示的是采用上述系統(tǒng)但提供有第二電解質(zhì)(即該系統(tǒng)為混合系統(tǒng))來采集的AC阻抗圖譜。在此情況下，總的電池電阻將在750°C下降至8.7 Ω cm2。
[0136]如果電池1015是陽極支撐型電池而不是電解質(zhì)支撐型電池，如上所述的，這樣電解質(zhì)1045便薄得多(例如是微米級別而不是毫米級別的，在該情況下為5 μ m)，其性能顯著地改進，在相同的條件下由電解質(zhì)支撐型電池的70mW.cm—2增至在相應(yīng)的陽極支撐型電池的390mW.cm_2。采用具有陽極支撐型電池1015的系統(tǒng)1000采集的AC圖譜如圖1Oc中所
/Jn ο
[0137]對于上述的每個測量，吹掃氣體為氮氣。如圖11中所示，如果二氧化碳取代了氮氣作為吹掃氣體，那么電池的性能將進一步增高，在這種情況下對于包括陽極支撐型電池的系統(tǒng)來說由390mW.cnT2增至500mW.cnT2。當(dāng)采用CO2進行吹掃時的系統(tǒng)1000的AC圖譜如圖1Od中所示。在不被任何理論約束的條件下，在CO2下的較高性能可能是由于增強的電化學(xué)過程或碳酸鹽穩(wěn)定性。
[0138]本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)陰極1035的電阻占了在750°C下的陽極支撐型系統(tǒng)的總電阻的大部分。當(dāng)采用具有保護性隔層的摻鑭的鍶鈷氧化物(LSC)陰極的電池替代相應(yīng)地具有含LSM/YSZ組合物的陰極的電池，電池的性能將有所改進。在該示例中，所述隔層包括摻釓的氧化鈰。該保護性隔層將有助于防止LSC和電解質(zhì)的YSZ間的反應(yīng)。
[0139]圖12a和12b表示的是陰極1035和固體電解質(zhì)1045材料在選擇上的影響。特別地，圖12a顯示了具有圖9中所示的基本結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)1000的AC阻抗圖譜，其陰極1035包括慘鑭的亞猛酸銀(lanthanum doped strontium manganite) (Laa8Sra2)a95MnO3(LSM)和YSZ(以50:50wt.%的比例)，同時圖12b顯示了相應(yīng)的系統(tǒng)，其中陰極1035包括摻鑭的鍶鈷氧化物L(fēng)aa6Sra4CoCVs并連同有摻鑭的氧化鈰隔層。如圖13所示，發(fā)現(xiàn)具有基于LSC的陰極1035的系統(tǒng)1000具有在750°C下的改進的性能680mW.era2,相對于在同樣的條件下的基于LSM的系統(tǒng)1000的為500mW.cnT2。
[0140]圖14表示的是系統(tǒng)1000在短期內(nèi)以“類似電池組”模式運行時的穩(wěn)定性，其中，提供單批次燃料1085并不再進一步供應(yīng)燃料1085。該圖顯示系統(tǒng)1000可以在這樣的配置以300mA.cm—2運行I小時而沒有退化。在這時間(I小時)以后性能開始下降。性能的下降取決于碳的消耗速率。還發(fā)現(xiàn)攪拌可以恢復(fù)性能。因此，對具有供應(yīng)燃料的裝置和/或具有攪拌第二電解質(zhì)1090/燃料1085的裝置的系統(tǒng)1000來說，長期的性能是可預(yù)料的。
[0141]本發(fā)明的發(fā)明人意外地發(fā)現(xiàn)，薄的YSZ固體電解質(zhì)1045(少于10 μ m厚)在運作10小時后并未表現(xiàn)出顯著的變化或故障，如圖15所示。本領(lǐng)域的認(rèn)知認(rèn)為熔融的碳酸鹽電解質(zhì)1090和YSZ電解質(zhì)1045會發(fā)生反應(yīng)，例如形成鋯酸鋰。
[0142]本發(fā)明的發(fā)明人卻發(fā)現(xiàn)YSZ的立方組成相對于其他的構(gòu)型，例如四方的，減少了鋯酸鋰的形成。再次，在不希望被任何特定的理論約束下，這可能是由于相對于四方的材料，立方的材料具有更高的釔含量和/或更大的晶粒尺寸。
[0143]此外，當(dāng)與熔融碳酸鹽一起老化時立方氧化鋯(8m0l% YSZ)表現(xiàn)出一定的腐蝕和表面重組(如圖16a和16b所示，其中圖16a表示的是新制備的YSZ表面的SEM圖，而圖16b表示的是在700°C下碳酸鋰和碳酸鉀的低共熔混合物中浸蝕10小時后的同一表面)。對于運作中的在電負(fù)載下的上述的系統(tǒng)1000中老化的相應(yīng)的樣品(如圖17所示，該圖表現(xiàn)了已經(jīng)過電化學(xué)測量且浸在低共熔體碳酸鋰/鉀電解質(zhì)中10小時的電池所用的YSZ膜表面的SEM圖)，并未檢測到表面變化的證據(jù)。
[0144]同樣地，似乎可能有助于穩(wěn)定YSZ的多種因素包括較高的釔含量、較低的雜質(zhì)含量、在厚陽極支撐中的YSZ的可用性以及電勢和/或電流的應(yīng)用。
[0145]盡管對多種燃料電池系統(tǒng)5、1000的實施方式進行描述，應(yīng)當(dāng)理解的是上述的每種系統(tǒng)5、1000的特征都是可互換的。例如，可考慮的選擇，如有關(guān)于圖9中所示和所描述的的實施方式的所述的吹掃氣體、電解質(zhì)材料和/或厚度以及/或陰極材料同樣地可應(yīng)用到有關(guān)于圖1中所示和所描述的實施方式中，同時有關(guān)于圖1中所示和所描述的實施方式的密封件和陽極外殼可以同樣地應(yīng)用到有關(guān)于圖9中所示和所描述的實施方式中。有利地，圖1和圖9涉及的實施方式的特征可以結(jié)合起來從而生產(chǎn)出商業(yè)規(guī)模的燃料電池系統(tǒng)，其將表現(xiàn)出良好的密封和電性能屬性以及長的使用壽命。
[0146]本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解的是，在不背離本發(fā)明的情況下可以對所公開的配置進行變換。例如，在本發(fā)明中所描述的電池外殼15為圓柱狀構(gòu)型的同時，應(yīng)當(dāng)理解的是其它的構(gòu)型(限定了空心室)也可以采用，例如盒子似的構(gòu)型。進一步地，雖然固體陽極20被描述為含有N1-YSZ、電解質(zhì)25含有YSZ和陰極30含有LSM，應(yīng)當(dāng)理解的是其它陽極、電解質(zhì)和/或陰極的化學(xué)成分也可以采用。例如，陽極可以含有金屬陶瓷和/或陰極可以含有摻鑭的鍶鈷氧化物，優(yōu)選地在陰極和電解質(zhì)間具有如摻釓氧化鈰的保護層。進一步地，雖然系統(tǒng)5被描述為采用p-mdf形式的燃料120，應(yīng)當(dāng)理解的是其他固體燃料也可以采用，例如煤或焦炭。事實上，應(yīng)當(dāng)理解的是該系統(tǒng)甚至可以與非碳質(zhì)固體燃料一起使用。因此以上對特定實施方式的描述將僅作為示例而不是出于限制的目的。應(yīng)當(dāng)清楚的是本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在不進行顯著的改變下對所描述的操作稍作修改。
【權(quán)利要求】
1.一種直接碳燃料電池系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括電化學(xué)電池，該電化學(xué)電池包括陰極、固態(tài)的第一電解質(zhì)和陽極，其中，所述系統(tǒng)還包括含有和/或適于接收第二電解質(zhì)和燃料的陽極室。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述第二電解質(zhì)和燃料由所述陽極室提供，所述第二電解質(zhì)的量少于或等于20mol%和/或與所述燃料的重量比小于1:1。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述陽極室至少部分地由含有不銹鋼和/或氧化鋁的陽極外殼限定。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任意一項所述的系統(tǒng)，其中，所述第二電解質(zhì)在運作條件下至少部分地為熔融的，且將所述電池配置為在600-850°C的溫度下運作。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任意一項所述的系統(tǒng)，其中，所述陽極、陰極和第一電解質(zhì)含有固體氧化物材料。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任意一項所述的系統(tǒng)，其中，所述第一電解質(zhì)和/或陽極和/或陰極通過采用薄膜工藝提供。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中，所述第一電解質(zhì)小于50μ m厚。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中任意一項所述的系統(tǒng)，其中，所述電化學(xué)電池為平板電池。
9.根據(jù)前述權(quán)利 要求中任意一項所述的系統(tǒng)，其中，所述陽極室包括至少一個氣體入口和/或出口以供應(yīng)和/或排出氣體，所述系統(tǒng)配置為供應(yīng)含有二氧化碳、氦氣、氬氣或氮氣或由二氧化碳、氦氣、氬氣或氮氣的至少一種組成的氣體，和/或含有蒸汽的氣體。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求中任意一項所述的系統(tǒng)，其中所述陽極室至少部分地由陽極外殼限定，并且其中所述陽極室提供有從所述陽極外殼延伸出的至少一個支撐部件，所述支撐部件用于支撐所述電化學(xué)電池。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中，每個支撐部件包括柱狀物。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中，將所述支撐部件延伸至大體上與由所述陽極室的壁的一端限定的孔在同一水平上或在同一個平面的位置。
13.根據(jù)前述權(quán)利要求中任意一項所述的系統(tǒng)，其中，該系統(tǒng)包括陰極外殼且所述電化學(xué)電池固定在和/或夾在所述陰極外殼和陽極外殼之間。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中，該系統(tǒng)包括: 至少一個陽極室密封件，其提供在或是可提供在所述陽極外殼和所述電化學(xué)電池和/或陰極外殼和/或陰極密封件之間；和/或 至少一個陰極密封件，其提供在所述陰極外殼和所述電化學(xué)電池和/或所述陽極外殼和/或所述陽極密封件之間。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其中，在所述電化學(xué)電池的陽極側(cè)提供有陽極側(cè)電流收集器并且電連接器從所述陽極側(cè)電流收集器延伸出來，在至少第一和第二陽極密封件之間，從而從所述陽極室向外延伸。
16.根據(jù)前述權(quán)利要求中任意一項所述的系統(tǒng)，其中，該系統(tǒng)還包括陰極側(cè)電流收集器，其中所述陰極側(cè)電流收集器包括銀的和/或涂銀的不銹鋼線或網(wǎng)和/或在所述陰極和所述陰極側(cè)電流收集器之間提供的連接器，其中該連接器包括固體氧化物材料。
17.根據(jù)權(quán)利要求14-16中任意一項所述的系統(tǒng)，其中，所述陽極室密封件和/或陰極密封件包括電絕緣密封件。
18.根據(jù)權(quán)利要求14-17中任意一項所述的系統(tǒng)，其中，至少一種陽極室密封件和/或陰極密封件包括礦物密封件。
19.根據(jù)權(quán)利要求14-18中任意一項所述的系統(tǒng)，其中，所述陽極室密封件和/或陰極密封件包括滑石、蛭石和/或蛭石衍生物和/或陶瓷和/或陶瓷粘合劑中的至少一種。
20.根據(jù)前述權(quán)利要求中任意一項所述的系統(tǒng)，其中，所述電池為壓縮密封的或可壓縮密封的。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其中，在所述陽極外殼和/或陰極外殼中提供有至少兩個螺栓孔，并且在至少一個螺栓孔中提供有電絕緣材料套，以使得所述電絕緣材料套設(shè)置在或可設(shè)置在陽極外殼和/或陰極外殼與提供在所述螺栓孔的任何螺栓之間。
22.根據(jù)前述權(quán)利要求中任意一項所述的系統(tǒng)，其中，所述陰極含有以下的至少一種:亞錳酸鍶鑭LSM、摻鑭的鍶鈷氧化物L(fēng)SC或具有化學(xué)式(AhSrx)1IBCVs的混合離子/電子導(dǎo)電陶瓷，其中A可以為鑭或鋇且B可以為錳、鐵、鈷或它們的組合，和/或氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯YSZ。
23.根據(jù)前述權(quán)利要求中任意一項所述的系統(tǒng)，其中，所述系統(tǒng)包括在所述陰極上的或接近所述陰極的隔層，該隔層具有的材料組合物不同于所述第一電解質(zhì)和陰極。
24.根據(jù)前述權(quán)利要求中任意一項所述的系統(tǒng)，其中，所述陽極含有鎳、鉬、鈀、鋅、鐵、氧化鈰、氧化鎳復(fù)合材料和YSZ、鎳金屬陶瓷中的至少一種。
25.根據(jù)前述權(quán)利要求中任意一項所述的系統(tǒng)，其中，所述第一電解質(zhì)含有氧化鉿、氧化鋯、氧化鋁、氧化釔、二氧化鈰、鎵酸鑭中的至少一種。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的系統(tǒng)，其中，所述第一電解質(zhì)含有氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯且具有立方晶體結(jié)構(gòu)。
27.根據(jù)前述權(quán)利要求中任意一項所述的系統(tǒng)，其中，所述第二電解質(zhì)含有氫氧化鋰、氫氧化鈉、氫氧化鉀或其混合物；碳酸鋰、碳酸鈉、碳酸鉀或其混合物中的至少一種。
28.根據(jù)前述權(quán)利要求中任意一項所述的系統(tǒng)，其中，所述燃料包括熱解的中等密度纖維板p-MDF、煤、焦炭、石墨、炭黑或活性炭中的至少一種。
29.根據(jù)前述權(quán)利要求中任意一項所述的系統(tǒng)，其中，所述陽極室含有或配置為可接收微?；蚍勰┐呋瘎?，該催化劑含有鎳、鉬、鈀、銅和/或鐵中的至少一種。
30.根據(jù)權(quán)利要求29所述的系統(tǒng)，其中，提供含有至少10重量％的催化劑-電解質(zhì)比。
31.根據(jù)前述權(quán)利要求中任意一項所述的系統(tǒng)，其中，所述陽極室提供有攪拌器、攪拌棒或類似的和/或經(jīng)受超聲處理。
32.根據(jù)前述權(quán)利要求中任意一項所述的系統(tǒng)，其中，所述系統(tǒng)包括用于向所述陽極室輸送燃料和/或第二電解質(zhì)的送料機。
33.一種包括至少兩個根據(jù)權(quán)利要求1-32中任意一項所述的系統(tǒng)的堆疊或組裝，該至少兩個系統(tǒng)通過共同的燃料供給和/或排出和/或共同的氧化劑供給和/或排出進行連接，和/或進行電連接。
34.一種與權(quán)利要求10或其從屬權(quán)利要求中任意一項所述的系統(tǒng)一起采用的陽極外殼，該陽極外殼限定了陽極室，所述陽極室提供有用于支撐電化學(xué)電池的至少一個支撐部件。
35.根據(jù)權(quán)利要求34所述的陽極外殼，其中，所述陽極室包括至少一個提供在該室的壁的周端處的陽極外殼密封件。
36.根據(jù)權(quán)利要求35所述的陽極外殼，其中，每個陽極密封件包括礦物密封件。
37.一種用于組裝根據(jù)權(quán)利要求1-32中任意一項所述的直接碳燃料電池系統(tǒng)的方法，該方法包括在根據(jù)權(quán)利要求34-36中任意一項所述的陽極外殼和陰極外殼之間壓縮密封電化學(xué)電池，其中，在所述陽極室和/或所述電化學(xué)電池和/或所述陰極室之間提供至少一個密封件。
38.一種用于運作權(quán)利要求1-32中任意一項所述的電化學(xué)電池的或權(quán)利要求33中的堆疊或組裝以生產(chǎn)電能的方法，該方法包括將所述電化學(xué)電池和/或堆疊或組裝與電力負(fù)載連接起來和/或向所述陽極室供應(yīng)燃料和/或向所述陰極供應(yīng)氧化劑。
39.根據(jù)權(quán)利要求38所述的方法，其中，該方法包括向所述陰極室供應(yīng)吹掃氣體，所述吹掃氣體包括氮氣、IS 氣或二氧化碳。
【文檔編號】H01M12/04GK104011932SQ201280064087
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2012年10月25日 優(yōu)先權(quán)日:2011年10月28日
【發(fā)明者】J·T·S·歐文, G·蔻爾, 姜彩榮 申請人:圣安德魯斯大學(xué)董事會