專利名稱：一種直碳燃料電池的自催化碳燃料的制備技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種直碳燃料電池領(lǐng)域，特別涉及一種直碳燃料電池的自催化碳燃料的制備技術(shù)。
背景技術(shù)：
直碳燃料電池是一種將化學(xué)能量轉(zhuǎn)化為電能的裝置。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。直碳燃料電池的碳燃料多為固體碳材料,其來源十分廣泛，從傳統(tǒng)化石礦產(chǎn)碳源(如煤炭)，到廢棄物焦化產(chǎn)物(如焦炭)，再到可再生生物質(zhì)碳化產(chǎn)物(如竹子碳纖維，秸桿木炭)，都可以作為直碳燃料電池的碳燃料。由于碳燃料是固體材料，所以直碳燃料電池的陽極氧化是固相-固相反應(yīng)，一般認(rèn)為這種類型的反應(yīng)較為困難，主要是由于固體間接觸的表面積有限，且傳質(zhì)較為困難；目前已有的改進(jìn)方法主要有兩種，一種是將固體碳燃料置于熔融的碳酸鹽中，以增大反應(yīng)接觸面積；另一種方法是人工加入活化催化劑，如堿金屬，堿土金屬離子，過渡金屬離子等，這些離子主要有兩個用途，一是催化碳燃料的氧化反應(yīng)，另一個是起到收集傳導(dǎo)電流的作用。但是純碳固體材料在碳酸鹽中的浸潤效果不是很好，增大接觸面積有限，而人工加入金屬離子在放大生產(chǎn)中也不可取。

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，提供一種直碳燃料電池的自催化碳燃料的制備技術(shù)?！N直碳燃料電池的自催化碳燃料的制備技術(shù)，其特征是由以下制作步驟完成 I)將粒徑粉碎至毫米乃至微米級的一種或兩種原料混合物，先進(jìn)行干燥處理，干燥條
件是70 100攝氏度；
2 )然后在無氧或缺氧的環(huán)境下，將原料置于管式焦化爐中，在400 800度的中高溫的條件下，焦化熱分解后，再經(jīng)過冷卻得到具有自催化性能的碳燃料；
所述的原料主要包括兩大類可再生生物質(zhì)中的碳元素和廢棄物中的碳元素；所述的可再生生物質(zhì)具體指植物秸桿，木纖維以及其他可再生的富碳類生物質(zhì)；所述的廢棄物具體指廢紙，廢舊塑料，棄置包裝材料以及其他富碳類廢棄物；
所述的無氧或缺氧環(huán)境由保護(hù)氣提供，具體是指氮氣，氬氣，氦氣或者直接碳燃料電池陽極產(chǎn)生的二氧化碳尾氣。本發(fā)明得到的具有自催化性能的碳燃料的表面含有許多金屬離子官能團(tuán)，包括鉀，鈣，納，鎂等堿金屬或堿土金屬，也含有微量的鐵，銅，鎳，鋅等過渡金屬離子。其中，上述的無氧或缺氧的環(huán)境是通過保護(hù)氣將管式加熱爐的空氣排除，先在中低溫下加熱一段時間原料，然后快速升溫到400 800度的中高溫，加熱8個小時以上，最后在保護(hù)氣的保護(hù)下慢慢冷卻到室溫。本發(fā)明的有益效果是碳燃料自身屬無定形結(jié)構(gòu)，具有較大的比表面積，在直碳燃料電池工作工況下，更易浸潤在熔融碳酸鹽浴中；同時此碳燃料顆粒自身表面有許多金屬離子官能團(tuán)，既起到了活化催化碳氧化反應(yīng)的作用，也起到了增強電流傳導(dǎo)的作用。該制備方法簡單易操作，放大工程已實現(xiàn)。更為主要的是，所利用的碳源來自廢棄物和可再生生物質(zhì)，這對減少環(huán)境破壞與減少不可再生資源的消耗，以及環(huán)境保護(hù)都十分有益。


附圖1是實施例1中的竹纖維碳燃料X射線粉末晶體衍射表征結(jié)果圖 附圖2是實施例2中的廢舊紙屑碳燃料X射線粉末晶體衍射表征結(jié)果圖 附圖3是以竹碳為燃料的 直碳燃料電池性能表征結(jié)果圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖給出本自催化碳燃料的制備技術(shù)的具體實施例，對該直碳燃料電池的碳燃料技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的說明
實施例1 :
以竹纖維作為可再生生物質(zhì)原料，在敞口容器中加入適量機(jī)械破碎過的竹纖維，其粒徑粉碎至毫米乃至微米級，將竹纖維連同敞口容器一同放入管式加熱爐中，通入氮氣排除爐腔內(nèi)的空氣，并保持氮氣氛圍，先在中低溫下加熱一段時間，干燥竹纖維，然后快速升溫到500 800度左右，加熱8個小時以上，最后在氮氣保護(hù)下慢慢冷卻到室溫，即得到所述的自催化碳燃料。對所得的竹碳燃料進(jìn)行表征，檢測結(jié)果詳見附圖1和附表一。可見此方法由竹纖維制備得到的碳燃料其無定形程度更高，表面也確有較多金屬離子。實施例2:
以廢舊紙盒作為廢棄物原料，在敞口容器中加入適量經(jīng)機(jī)械破碎廢丨日紙盒得到的碎紙屑，其粒徑粉碎至毫米乃至微米級，將碎紙屑連同敞口容器一同放入管式加熱爐中，通入氮氣排除爐腔內(nèi)的空氣，并保持氮氣氛圍，先在中低溫下加熱一段時間，干燥碎紙屑，然后快速升溫到500 800度左右，加熱8個小時以上，最后在氮氣保護(hù)下慢慢冷卻到室溫，即得到所述的自催化碳燃料。對所得的紙屑碳燃料進(jìn)行表征，檢測結(jié)果詳見附圖2和附表二?？梢姶朔椒ㄓ蓮U舊紙屑制備得到的碳燃料其無定形程度更高，表面也確有較多金屬離子。
下面列舉以竹碳為燃料的直碳燃料電池性能一例
將上述所得的竹碳燃料與共晶碳酸鹽按質(zhì)量比1:1進(jìn)行混合，裝入直碳燃料電池設(shè)備中，在700攝氏度下測試電池的性能，所得性能曲線見附圖3，該共晶碳酸鹽為本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的常規(guī)共晶碳酸鹽均可。附表一竹纖維碳燃料X射線光電子分光光譜表征結(jié)果圖，如下表
權(quán)利要求
1.一種直碳燃料電池的自催化碳燃料的制備技術(shù)，其特征是由以下制作步驟完成1)將粒徑粉碎至毫米乃至微米級的一種或兩種原料混合物，先進(jìn)行干燥處理，干燥條件是70 100攝氏度；2 )然后在無氧或缺氧的環(huán)境下，將原料置于管式焦化爐中，在400 800度的中高溫的條件下，焦化熱分解后，再經(jīng)過冷卻得到具有自催化性能的碳燃料；所述的原料主要包括兩大類可再生生物質(zhì)中的碳元素和廢棄物中的碳元素；所述的可再生生物質(zhì)具體指植物秸桿，木纖維以及其他可再生的富碳類生物質(zhì)；所述的廢棄物具體指廢紙，廢舊塑料，棄置包裝材料以及其他富碳類廢棄物；所述的無氧或缺氧環(huán)境由保護(hù)氣提供，具體是指氮氣，氬氣，氦氣或者直接碳燃料電池陽極產(chǎn)生的二氧化碳尾氣。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直碳燃料電池的自催化碳燃料的制備技術(shù)，其特征是所述的具有自催化性能的碳燃料的表面含有許多金屬離子官能團(tuán)，包括鉀，鈣，納，鎂等堿金屬或堿土金屬，也含有微量的鐵，銅，鎳，鋅等過渡金屬離子。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直碳燃料電池的自催化碳燃料的制備技術(shù)，其特征是所述的無氧或缺氧的環(huán)境是通過保護(hù)氣將管式加熱爐的空氣排除，先在中低溫下加熱一段時間原料，然后快速升溫到400 800度的中高溫，加熱8個小時以上，最后在保護(hù)氣的保護(hù)下慢慢冷卻到室溫。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種直碳燃料電池領(lǐng)域，特別涉及一種直碳燃料電池的自催化碳燃料的制備技術(shù)，由以下制作步驟完成1)將粒徑粉碎至毫米乃至微米級的一種或兩種原料混合物，先進(jìn)行干燥處理，干燥條件是70～100攝氏度；2)然后在無氧或缺氧的環(huán)境下，將原料置于管式焦化爐中，在400～800度的中高溫的條件下，焦化熱分解后，再經(jīng)過冷卻得到具有自催化性能的碳燃料；有益效果是碳燃料自身屬無定形結(jié)構(gòu)，具有較大的比表面積，在直碳燃料電池工作工況下，更易浸潤在熔融碳酸鹽浴中；同時此碳燃料顆粒自身表面有許多金屬離子官能團(tuán)，既起到了活化催化碳氧化反應(yīng)的作用，也起到了增強電流傳導(dǎo)的作用。
文檔編號C01B31/02GK103043652SQ20131001369
公開日2013年4月17日 申請日期2013年1月15日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月15日
發(fā)明者弭永利, 郝文斌 申請人:東營杰達(dá)化工科技有限公司