專利名稱:一種提高固體氧化物直接碳燃料電池性能的方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明屬于清潔能源技術(shù)領(lǐng)域。特別涉及一種提高固體氧化物直接碳燃料電池性 能的方法。
背景技術(shù):
能源是國民經(jīng)濟的支柱,是人類社會發(fā)展所必需的推動力。從工業(yè)革命開始,人類 動力主要通過熱機獲得。但是,由于熱機受“卡諾極限”的限制,效率提高較為困難,造成能 源的浪費,同時排放出大量污染物,嚴重危害人類生存環(huán)境。因此,探索清潔、環(huán)保、高效的 能源利用方式成為世界能源發(fā)展的必然方向。燃料電池能夠?qū)⑷剂现械幕瘜W(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能,具有能量轉(zhuǎn)換效率高、潔凈無 污染、噪聲低、模塊結(jié)構(gòu)性強等優(yōu)點,有望成為未來能源供應(yīng)系統(tǒng)的重要組成部分。其中,固 體氧化物直接碳燃料電池(Solid Oxide Direct Carbon Fuel Cell, SO-DCFC)采用固體 碳為燃料,將其中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能,其獨特優(yōu)勢在于理論效率更高;固體碳燃料 體積小、熱值高、來源廣泛;避免了液體電解質(zhì)的腐蝕與泄露;有利于二氧化碳的富集與減 排,具有很高的發(fā)展?jié)摿?。其反?yīng)機理如下陽極C+202- — C02+4e" (1)C+C02 — 2C0(2)C+H20 — C0+H2(3)02>C0 — C02+2e"(4)O2^H2 — H20+2e"(5)陰極—202- (6)總反應(yīng)C+02—(X)2 (7)由以上反應(yīng)機理可知,在固體氧化物直接碳燃料電池陽極主要存在碳的直接電化 學(xué)反應(yīng)(1),碳氣化反應(yīng)⑵和(3),以及氣體電化學(xué)反應(yīng)⑷和(5)。目前SO-DCFC陽極反 應(yīng)速率較慢,電流密度低,嚴重影響了電池整體性能與實際應(yīng)用。因此,如何加快SO-DCFC 陽極反應(yīng)速率、降低反應(yīng)溫度,以提高電池性能是固體氧化物直接碳燃料電池技術(shù)發(fā)展的 關(guān)鍵。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種提高固體氧化物直接碳燃料電池性能的方法,該方法通 過引入催化氣化,達到提高碳燃料的反應(yīng)活性,加快陽極碳氣化反應(yīng)速度,改善電池性能的 目的;其特征在于,具體步驟如下在固體氧化物直接碳燃料電池基礎(chǔ)上,按照金屬元素與 碳燃料質(zhì)量比 30%比例向固體碳燃料中添加金屬鹽作為催化劑,將添加有金屬鹽的 固體碳作為燃料置于直接碳燃料電池陽極腔體內(nèi),同時通入陽極載氣保持陽極反應(yīng)氣氛, 陰極通入空氣或氧氣作為氧化劑,直接碳燃料電池工作溫度范圍為600 1000°C。所述向固體碳燃料中添加金屬鹽的方法為粉體物理混合法、溶液浸漬法和離子交換法。所述的碳燃料是化學(xué)組分為碳元素的物質(zhì),包括炭黑、石墨、焦炭、秸稈、煤和石油 焦中一種或一種以上。所述陽極載氣包括隊、Ar、He、CO2或H2O。所述金屬鹽為鋰Li、鈉Na、鉀K、鈹Be、鎂Mg、鈣Ca、鍶Sr、鈧Sc、鈦Ti、釩V、錳Mn、 鐵狗、鎳Ni、鉬Mo和銀Ag所對應(yīng)的碳酸鹽、碳酸氫鹽、硫酸鹽、硝酸鹽及其水絡(luò)合物中一種 或為一種以上的混合物。本發(fā)明產(chǎn)生的效果是固體氧化物直接碳燃料電池陽極反應(yīng)速率與工作溫度密切 相關(guān),直接決定了電池性能,典型的SO-DCFC工作溫度范圍為600-100(TC而其中碳燃料氣 化反應(yīng)式(2)和(3)的最佳工作溫度范圍在900°C以上,與燃料電池最佳工作溫度范圍 600-1000°C不匹配。碳燃料氣化反應(yīng)直接影響電池性能的速率控制因素。本發(fā)明通過向固 體碳燃料中添加金屬鹽類催化劑,加快了碳燃料氣化反應(yīng)式( 和C3)的反應(yīng)速率,進而產(chǎn) 生更多CO和H2,加快氣體電化學(xué)反應(yīng)式(4)和(5)進行,以提高電池電流密度,在給定工作 溫度和工作電壓下改進了電池性能。本發(fā)明解決了固體氧化物直接碳燃料電池中碳燃料氣化反應(yīng)速率與氣體電化學(xué) 反應(yīng)速率不匹配的矛盾,能夠在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上,進一步提高固體碳燃料的反應(yīng)活性,改進 電池性能;同時,本發(fā)明在保證SO-DCFC性能基礎(chǔ)上,進一步降低了電池工作溫度,降低了 對電池材料及高溫密封的要求。
具體實施例方式本發(fā)明提出一種提高固體氧化物直接碳燃料電池性能的方法,該方法通過引入催 化氣化,達到提高碳燃料的反應(yīng)活性,加快陽極碳氣化反應(yīng)速度,改善電池性能的目的。下 面結(jié)合實施例對本發(fā)明予以說明。實施例1以堿金屬鹽K2CO3作為催化劑前驅(qū)物,以炭黑作為固體碳燃料,采用浸漬法向炭黑 中添加K催化劑,催化劑添加量根據(jù)K原子與炭黑質(zhì)量比10%計算。將添加有K2CO3的炭 黑作為燃料置于直接碳燃料電池陽極腔體內(nèi),以50ml · HIirT1流量的CO2作為陽極載氣,以 IOOml · miiT1流量的仏作為陰極氧化劑,電池工作溫度750°C。此時,SO-DCFC在0. 7V恒 壓放電工況下平均功率密度為1477W*m_2,出口陽極載氣中CO摩爾分數(shù)為19.8%。此時, 750°C下炭黑添加K2CO3后的電池性能與950°C下炭黑不添加催化劑時的電池性能相當(dāng)。實施例2以堿土金屬鹽Ca(NO3)2 · 4H20作為催化劑前驅(qū)物,以焦炭作為固體碳燃料,采用 浸漬法向焦炭中添加Ca催化劑,催化劑添加量根據(jù)Ca原子與焦炭質(zhì)量比10%計算。將添 加有Ca(NO3)2的焦炭作為燃料置于直接碳燃料電池陽極腔體內(nèi),以50ml · mirT1流量的CO2 作為陽極載氣,以100ml IirT1流量的O2作為陰極氧化劑,電池工作溫度750°C。此時, SO-DCFC在0. 7V恒壓放電工況下平均功率密度為1034W ·πΓ2,出口陽極載氣中CO摩爾分數(shù) 為9. 21%。此時,750°C下焦炭添加Ca(NO3)2后的電池性能與880°C下炭黑不添加催化劑時 的電池性能相當(dāng)。實施例3
以過渡金屬鹽Ni (NO3)2 · 6H20作為催化劑前驅(qū)物,以石墨作為固體碳燃料,采用 浸漬法向石墨中添加M催化劑,催化劑添加量根據(jù)M原子與石墨質(zhì)量比10%計算。將添 加有Ni (NO3)2的石墨作為燃料置于直接碳燃料電池陽極腔體內(nèi),以50ml · mirT1流量的CO2 作為陽極載氣,以100ml IirT1流量的O2作為陰極氧化劑,電池工作溫度750°C。此時, SO-DCFC在0. 7V恒壓放電工況下平均功率密度為1123W ·πΓ2,出口陽極載氣中CO摩爾分數(shù) 為11.4%。此時,750°C下石墨添加Ni (NO3)2后的電池性能與900°C下炭黑不添加催化劑時 的電池性能相當(dāng)。實施例4以堿金屬鹽NaNO3作為催化劑前驅(qū)物,以煤作為固體碳燃料,采用浸漬法向煤中 添加Na催化劑,催化劑添加量根據(jù)Na原子與煤質(zhì)量比_20%。將添加有Ni (NO3)2的 煤作為燃料置于直接碳燃料電池陽極腔體內(nèi),以50ml · mirT1流量的(X)2作為陽極載氣, 以IOOml · mirT1流量的仏作為陰極氧化劑,電池工作溫度750°C。此時,750°C下煤添加 Na(NO3)2后的電池性能與900°C下炭黑不添加催化劑時的電池性能相當(dāng)。實施例5以堿土金屬鹽MgSO4 · 7H20作為催化劑前驅(qū)物,以炭黑作為固體碳燃料,采用浸漬 法向炭黑中添加Mg催化劑,催化劑添加量根據(jù)Mg原子與炭黑質(zhì)量比10%-30%。將添加有 MgSO4 ·7Η20的炭黑作為燃料置于直接碳燃料電池陽極腔體內(nèi),以50ml ^irT1流量的CO2作 為陽極載氣,以100ml ^irT1流量的仏作為陰極氧化劑,電池工作溫度750°C。此時,750°C 下炭黑添加MgSO4后的電池性能與900°C下炭黑不添加催化劑時的電池性能相當(dāng)。實施例6以過渡金屬鹽AgNO3作為催化劑前驅(qū)物,以石油焦作為固體碳燃料,采用浸漬法向 石油焦中添加Ag催化劑,催化劑添加量根據(jù)Ag原子與石油焦質(zhì)量比5% -20%。將添加有 AgNO3的炭黑作為燃料置于直接碳燃料電池陽極腔體內(nèi),以50ml · mirT1流量的CO2作為陽 極載氣,以100ml ^irT1流量的仏作為陰極氧化劑,電池工作溫度750°C。此時,750°C下炭 黑添加AgNO3后的電池性能與900°C下炭黑不添加催化劑時的電池性能相當(dāng)。
權(quán)利要求
1.一種提高固體氧化物直接碳燃料電池性能的方法,其特征在于,具體步驟如下在 固體氧化物直接碳燃料電池基礎(chǔ)上,按照金屬元素與碳燃料質(zhì)量比 30%比例向固體 碳燃料中添加金屬鹽作為催化劑,將添加有金屬鹽的固體碳作為燃料置于直接碳燃料電池 陽極腔體內(nèi),同時通入陽極載氣保持陽極反應(yīng)氣氛,陰極通入空氣或氧氣作為氧化劑,直接 碳燃料電池工作溫度范圍為600 1000°C。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高固體氧化物直接碳燃料電池性能的方法,其特征在 于,所述向固體碳燃料中添加金屬鹽的方法為粉體物理混合法、溶液浸漬法或離子交換法。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高固體氧化物直接碳燃料電池性能的方法,其特征在 于,所述的碳燃料是化學(xué)組分為碳元素的物質(zhì),包括炭黑、石墨、焦炭、秸稈、煤和石油焦中 一種或一種以上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高固體氧化物直接碳燃料電池性能的方法,其特征在 于,所述陽極載氣為&、He、Ar、CO2或吐0。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高固體氧化物直接碳燃料電池性能的方法,其特征在 于,所述金屬鹽為鋰Li、鈉Na、鉀K、鈹Be、鎂Mg、鈣Ca、鍶Sr、鈧Sc、鈦Ti、釩V、錳Mn、鐵Fe、 鎳Ni、鉬Mo和銀Ag所對應(yīng)的碳酸鹽、碳酸氫鹽、硫酸鹽、硝酸鹽及其水絡(luò)合物中一種或一種 以上的混合物。
全文摘要
本發(fā)明公開了屬于清潔能源技術(shù)領(lǐng)域的一種提高固體氧化物直接碳燃料電池性能的方法,在固體氧化物直接碳燃料電池基礎(chǔ)上,向固體碳燃料中添加金屬鹽作為催化劑。將添加有金屬鹽的固體碳作為燃料置于直接碳燃料電池陽極腔體內(nèi),同時通入陽極載氣保持陽極反應(yīng)氣氛,陰極通入空氣或氧氣作為氧化劑,電池工作溫度范圍為600~1000℃。本發(fā)明在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上進一步提高固體碳燃料的反應(yīng)活性,降低電池工作溫度,改進電池性能。
文檔編號H01M8/04GK102088100SQ20101060670
公開日2011年6月8日 申請日期2010年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月16日
發(fā)明者史翊翔, 李晨, 楊景標(biāo), 蔡寧生 申請人:清華大學(xué)