[發明專利]用于固體氧化物燃料電池的活性煤焦粉體的制備方法

有效

• 申請號: 201410803453.8
• 申請日: 2014-12-22
• 公開（公告）號: CN104538645A
• 公開（公告）日: 2015-04-22
• 發明（設計）人: 焦勇;安文汀;趙俊紅;張麗琴;李思殿
• 申請（專利權）人: 山西大學
• 主分類號: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88;H01M4/90;C01B31/04
• 代理公司: 山西五維專利事務所(有限公司) 14105
• 代理人: 張福增

技術領域

本發明涉及燃料電池，具體屬于一種用于直接碳固體氧化物燃料電池的活性煤焦粉體的制備方法。

背景技術

煤是一種儲量豐富、價格低廉的化石能源。未來幾十年內，煤在全球能源格局中的主導地位將不會改變，煤電將依然是最主要的電力來源。中國的煤炭儲量居世界第三位，約70％的電力來自煤電。然而，傳統的燃煤火力發電技術能量轉換效率低(30～35％)，溫室氣體和污染物排放量大，導致氣候變暖和環境污染，威脅人類的可持續發展。因此，研究開發清潔、高效的新一代煤基發電技術已成為當務之急。

燃料電池是一種通過電化學反應直接將燃料的化學能高效、清潔地轉化為電能的能量轉換裝置。固體氧化物燃料電池(solid?oxide?fuel?cell,SOFC)是一種以能傳導氧負離子的固體氧化物為電解質的全固態燃料電池，具有能量轉換效率高(60～80％)、排放低和燃料適應性廣等優勢，是目前國際上的研發熱點和主流技術之一。煤炭作為固態燃料，較之H₂、天然氣等氣體燃料和液體石化燃料，具有能量密度高，儲運方便，安全系數高等優點。利用SOFC技術將煤基燃料直接轉化為電能，是實現煤炭資源高效、清潔利用的一條有效途徑。

煤的直接電化學轉換發電的探索可遠溯至19世紀中葉。1855年，Bacquerelle進行了最早的熔融KNO₃電解質的直接碳燃料電池嘗試。1896年，William?W.Jacques研制成功世界上第一個直接碳燃料電池。它是由百余個單電池構成的電池堆，以焙燒過的煤制成碳棒，作為陽極，熔融NaOH為電解質，鐵桶為陰極，可輸出電壓0.9伏、功率1.5kW的電力。上世紀70年代以來，特別是進入21世紀后，沉寂多年的碳燃料電池重新得到了重視，并取得了快速發展。目前，碳燃料電池主要包括以熔融碳酸鹽(molten?carbonate?fuel?cell,MCFC)或熔融堿金屬氫氧化物為電解質的熔融鹽燃料電池和SOFC，以及采用固體氧化物和熔融碳酸鹽(或熔融金屬)雙重電解質的復合型碳燃料電池。MCFC存在著因熔融電解質的揮發性、腐蝕性和易泄漏帶來的隱患和不足。SOFC以其全固態結構，無MCFC的上述缺陷而得到廣泛重視和快速發展。

煤等原碳燃料在用于SOFC之前，對其進行必要的預處理是關系SOFC性能的一個極為重要的方面。原煤是一種組成復雜的混合物，含有大量揮發性組分，特別是其中的硫會毒化SOFC的鎳基陽極催化劑。因此，直接以原煤為燃料的燃料電池的研究工作報道極少。近來，澳大利亞昆士蘭大學的Zhonghua?Zhu等報道了以原煤為燃料的MCFC的研究結果(Evaluation?of?raw?coals?as?fuels?for?direct?carbon?fuel?cells.Journal?of?Power?Sources,2010,195,4051–8.)。盡管Zhu等肯定了原煤用作MCFC燃料的可行性，但最后仍強調應對原煤進行適當預處理以獲得適用性更好的DCFC燃料。美國斯坦福大學的Turgut?M.Gür等報道了通過煤的干法氣化供應燃料的SOFC的研究結果(High?performance?solid?oxide?fuel?cell?operating?on?dry?gasified?coal.Journal?of?Power?Sources,2010,195,1085–90.)，實際上煤在進入流化床氣化之前已被高溫熱解預處理過了。工業化批量生產的煤焦，具有較原煤潔凈，較活性碳、炭黑等價格低廉的優點，但我們至今尚未見到直接以工業煤焦作為SOFC燃料的報道。我們的研究表明，在SOFC的中溫運行條件下，煤焦的CO₂反應性一般較低，導致直接以煤焦為燃料的SOFC的輸出性能較低，有必要對工業煤焦進行適度活化，提高其氣化反應性，以更好地滿足SOFC的應用要求。

發明內容

本發明的目的在于提供一種用于直接碳固體氧化物燃料電池的活性煤焦粉體的制備方法。具體以工業煤焦為原料，通過高能機械研磨活化和擔載復合催化劑，提高其氣化反應活性。本方法制備的活性煤焦粉體，能顯著提高直接碳固體氧化物燃料電池的輸出性能。

本發明的技術方案為：一種用于直接碳固體氧化物燃料電池的活性煤焦粉體的制備方法，包括如下步驟：

(1)取粒徑20～50目的煤焦顆粒，置于105～110℃烘箱中干燥24h，冷卻至室溫后，置于高能機械研磨裝置中研磨30～120h，得到高能機械活化的煤焦微粒。