[發明專利]固體電解質直接碳燃料電池

無效

• 申請號: 200910049375.6
• 申請日: 2009-04-15
• 公開（公告）號: CN101540411A
• 公開（公告）日: 2009-09-23
• 發明（設計）人: 王紹榮;劉仁柱;趙春花;李軍良
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海硅酸鹽研究所
• 主分類號: H01M8/10
• 分類號: H01M8/10;H01M8/12
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及固體電解質直接碳燃料電池及其制備方法，屬于燃料電池技術領域。

背景技術

近年來，隨著經濟的發展，我國的能源短缺現象日趨嚴重。同時，目前我國的能源結構中，煤炭發電量約占總發電量的68％，帶來了嚴重的環境負荷。煤炭燃燒發電時釋放出大量的溫室氣體二氧化碳，同時也會產生有毒有害的氮氧化物、二氧化硫等污染性氣體。因此，如何高效、清潔地利用煤炭資源已經成為當務之急。

燃料電池技術是一種不經歷燃燒過程而將燃料中的化學能直接轉化為電能的高效率發電技術。在眾多類型的燃料電池中，直接碳燃料電池(DCFC)是直接以碳為燃料而不需要重整過程，將碳的化學能直接轉換為電能。DCFC可以利用石油焦炭、煤焦炭、碳黑和生物碳(木炭)等作為燃料。其理論效率是目前煤電廠發電效率的2-3倍，并可以減少溫室氣體CO₂量的排放，更沒有氮氧化物、硫化物等酸性氣體的產生。DCFC為了達到一個高的能量效率則需要一個高的操作溫度。DCFC有兩種高溫操作方法：(1)運行溫度為400-750℃的熔融鹽電解質方法；(2)運行溫度為600-1000℃的SOFC方法。

DCFC的第一個嘗試可以追溯到19世紀后期，Thomas?A.Edison在1891年首先利用一根圓柱形的碳棒作為陽極，插在一個作為陰極的封閉鐵容器中，鐵容器中裝滿了熔融的氧化物、鹽或者他們的混合物作為電解質，以促進碳在高溫反應。1896年，William?W.Jacques采用鈉、鉀氫氧化物作為電解質的DCFC在400到500℃之間電流密度高達100mA/cm²。在20世紀，DCFC的發展基本處于停止狀態。直到20世紀70年代中期，Vutetakis?et?al用熔融碳酸鹽作電解質嘗試DCFC后，DCFC的研究才重新提上日程。進入21世紀后，DCFC的發展更加受到重視，來自Delft科技大學的Hemmes和來自LawrenceLivermore?National?Laboratory(LLNL)的Cooper等也做了同樣的工作。最近，Scientific?Applications?and?Research?Associates(SARA)公司采用熔融氫氧化物為電解質制備出四代D?CFC裝置，其最大輸出功率密度可達120-180mW/cm²。然而，上述這些DCFC都是采用熔融碳酸鹽或者熔融氫氧化物作為電解質；該熔融電解質具有揮發性、高腐蝕性，和存在泄漏的隱患等不足。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的不足，結合固體氧化物燃料電池(SOFC)和碳燃料二者的全固態特征，提出了一種簡單實用而且具有良好電化學性能的，固體電解質直接碳燃料電池(SEDCFC)，實現了SOFC使用碳燃料直接發電的結果。

為實現以上目的，本發明是通過以下技術方案來實現的：

采用管式固體氧化物燃料電池作為反應裝置，利用碳直接作為燃料。管式固體電解質直接碳燃料電池的結構如附圖1所示，外面為一端開口，一端封閉的管式固體氧化物燃料電池2，在管式電池內填充固體碳燃料6。

管式固體氧化物燃料電池2由3-5層功能層組成，由內到外分別為支撐陽極層3、固體電解質層4和陰極層5；

在此基礎上還可以增加活性陽極層，集電陰極層來提高電池的性能。

其中，支撐陽極層提供足夠的電導率和強度；電解質提供氧離子導電性并分隔燃料和氧化劑；活性陽極層和陰極層通過增加三相界面的長度來改善電化學性能；集電陰極層提供足夠的電子電導率。

所述的電解質材料選自：氧化釔穩定的氧化鋯(YSZ)、氧化鈧穩定的氧化鋯(SSZ)、氧化釓摻雜的氧化鈰(GDC)、氧化釤摻雜的氧化鈰(SDC)、氧化釔摻雜的氧化鈰(YDC)、氧化鍶和氧化鎂分別摻雜鑭位和鎵位的鎵酸鑭(LSGM)中的一種或者幾種；

所述的陽極材料選自：氧化鎳(NiO)、氧化鈰(CeO₂)、氧化銅(CuO)、鈦酸鍶(SrTiO₃)、氧化釔摻雜鍶位的鈦酸鍶(YST)、氧化鈧摻雜鍶位的鈦酸鍶(SST)等中的一種或幾種與上述電解質中的一種或幾種的混合材料；

所述的陰極材料選自氧化鍶摻雜鑭位的錳酸鑭(LSM)、氧化鍶和氧化鉍同時摻雜鑭位的錳酸鑭(LBSM)、氧化鍶摻雜鑭位的鈷酸鑭(LSC)、氧化鍶和氧化鐵分別摻雜鑭位和鈷位的鈷酸鑭(LSCF)、氧化鍶和氧化鐵分別摻雜鋇位和鈷位的鈷酸鋇(BSCF)、氧化鍶摻雜釤位的鈷酸釤(SSC)等中的一種或者幾種以及他們與電解質中的一種或幾種的混合材料；