[發明專利]雙電解質直接碳燃料電池及其組裝方法

無效

• 申請號: 201010149292.7
• 申請日: 2010-04-17
• 公開（公告）號: CN101800326A
• 公開（公告）日: 2010-08-11
• 發明（設計）人: 余晴春;屠恒勇
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: H01M8/12
• 分類號: H01M8/12;H01M8/14
• 代理公司: 上海交達專利事務所 31201
• 代理人: 王錫麟;王桂忠

技術領域

本發明涉及的是一種燃料電池技術領域的裝置及制造方法，具體是一種基于熔融碳酸鹽層 和固體氧化物層的雙電解質直接碳燃料電池及其組裝方法。

背景技術

燃料電池是將燃料與氧化劑中的化學能直接轉化為電能的裝置，近年來成為國內外研究熱 點之一。隨著研究的深入，燃料電池的種類也日趨廣泛，直接碳燃料電池(Direct?Carbon?Fuel Cell，DCFC)以固體碳作為燃料，在高溫下與陰極的氧化劑空氣作用，構成原電池的發電裝置。 DCFC主要有以下優點：燃料化學能利用率高、理論熱效率可達100％，可以直接以固體碳為 燃料(煤、生物質碳以及石油裂解中的積碳等)，便于運輸且使用安全。我國石油資源嚴重短 缺，發展高效清潔的DCFC技術對我國的能源和環保具有深遠的意義。

經對現有技術的文獻檢索發現，美國專利號US6692861，記載了一種“Carbon-oxygen?fuel cell”(碳-氧燃料電池)，該技術分別采用固體氧化物層和熔融碳酸鹽層作為電解質的直接碳燃 料電池，以固體氧化物層為電解質的DCFC，陰極采用金屬氧化物，陽極是反應物碳，從左至右， 按照陰極、電解質和陽極的方式，緊密接觸而連接；以熔融碳酸鹽層為電解質的DCFC，分別把 陰極和陽極插在盛有熔融碳酸鹽層的陶瓷容器中，陰極和陽極用一個隔膜隔開。

上述現有技術所涉及的固體氧化物層及熔融碳酸鹽層為電解質的DCFC，是在兩個不同的 電池中使用該兩種電解質，存在著這兩種電池固有的缺點。如以固體氧化物層為電解質的DCFC， 因為是全固態器件，導致陽極的電極反應僅僅在電解質和陽極的接觸界面發生，使電極反應的 活性面積受到限制，從而很難提高電池的性能。以熔融碳酸鹽層為電解質的DCFC，雖然熔融 鹽能滲透到陽極的內部，但是，在高溫下，陽極的連續加料就變得非常困難，難以實現電池的 連續運行和發電。

發明內容

本發明針對現有技術存在的上述不足，提供一種雙電解質直接碳燃料電池及其組裝方法， 在同一個DCFC電池中，同時使用固體氧化物層和熔融碳酸鹽層作為電解質的裝置，增大了陽 極反應的面積，同時，陽極碳基材層能夠連續供應。

本發明是通過以下技術方案實現的：

本發明涉及一種雙電解質直接碳燃料電池，包括：陽極部分、陰極部分和位于其間的作為 雙電解質的碳酸鹽層和固體氧化物層，所述的陽極部分包括：碳基材層和多孔陽極板，所述的 陰極部分為多孔陰極板，固體氧化物層位于多孔陽極板和多孔陰極板之間，碳酸鹽層位于固體 氧化物層與多孔陽極板之間。

所述的固體氧化物層是指：ZrO₂。

所述的碳酸鹽層是指：摩爾比為62～70∶30～38的Li₂CO₃與K₂CO₃的混合物。

所述的碳基材層為顆粒狀或粉末狀的石墨，活性炭，生物質炭化后的材料等。

所述的多孔陽極板與固體氧化物層的平面尺寸相同且大于多孔陰極板的平面尺寸。

所述的多孔陽極板和碳基材層之間設有陽極集電網和與之相連接的輸出引線，對應所述的 多孔陰極板相對于碳酸鹽層的另一側設有陰極集電網和與之相連的輸出引線。

所述的雙電解質直接碳燃料電池固定設置于陶瓷管內部。

本發明涉及上述雙電解質直接碳燃料電池的組裝方法，包括以下步驟：

(1)把陽極支撐的固體氧化物層燃料電池，以陽極在上，陰極在下的方向，從陶瓷管的 開口端放入到陶瓷管中，使固體氧化物層電解質朝向陰極的一面且大于陰極的部分，和陶瓷管 的底部接觸，兩者之間再用密封膠粘住，這樣，以熔融碳酸鹽層和固體氧化物層為雙電解質的 直接碳燃料電池就構成了兩個區域：陶瓷管內的陽極區域，在陶瓷管外的區域。

(2)在陶瓷管中的陽極集電極上，再依次放上碳酸鹽層和碳基材層。碳基材層從陶瓷管 的開口端依次加入。反應生成的二氧化碳也將從該開口端排出。

所述的以熔融碳酸鹽層和固體氧化物層為雙電解質的直接碳燃料電池，其工作溫度在 400-1000℃之間。當在陰極通入氧氣或是空氣的時候，就會發生如下的電化學反應，并給外電 路供電。

陽極：?????????????????????????陰極：