[發(fā)明專利]一種以液態(tài)金屬錫為陽極的直碳燃料電池裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210197623.3
• 申請日: 2012-06-15
• 公開（公告）號: CN102723516A
• 公開（公告）日: 2012-10-10
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 弭永利;郝文斌;何曉瑾
• 申請（專利權(quán)）人: 東營杰達(dá)化工科技有限公司
• 主分類號: H01M8/10
• 分類號: H01M8/10;H01M4/86
• 代理公司: 東營雙橋?qū)＠碛邢挢?zé)任公司 37107
• 代理人: 侯華頌

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)而帶動發(fā)電機(jī)生成電能。因為不經(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)。

直碳燃料電池的陽極傳質(zhì)機(jī)理的研究還處在探索階段?，F(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—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1mm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Al2O3，碳酸鋰Li2CO3，碳酸鉀K2CO3，碳酸鈉Na2CO3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)狻?/p>

上述的陰極氣是空氣，氧氣或者兩者的混合氣。