一種銻陽極直接碳固體氧化物燃料電池電堆及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于清潔能源的燃料電池領(lǐng)域，更具體地，涉及一種銻陽極直接碳固體氧化物燃料電池電堆及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]當(dāng)今社會，能源危機已經(jīng)成為世界性議題。目前廣泛使用的化石能源是不可再生的，而社會的快速發(fā)展導(dǎo)致大量的能源消耗，使此類傳統(tǒng)能源日趨匱乏。同時，化石能源的燃燒導(dǎo)致的環(huán)境污染給人類生活帶來了嚴(yán)重危害。人類迫切的需要更先進、效率更高、來源更廣泛且使用更方便的能源技術(shù)。
[0003]在這樣的背景下，開發(fā)可靠、環(huán)保的能源來源，減輕傳統(tǒng)化石能源的壓力，并采用更清潔的能源技術(shù)已經(jīng)成為全世界的共識。固體氧化物燃料電池(SOFC)作為一種新型的能量轉(zhuǎn)化裝置，可以應(yīng)對目前所遇到的能源匱乏難題，因而得到了世界很多國家的關(guān)注，越來越多的科技工作者投入了大量的時間和精力從事相關(guān)研究。
[0004]SOFC是利用化學(xué)反應(yīng)將化石燃料中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能。在能量轉(zhuǎn)化過程中，沒有燃燒過程，也沒有機械過程，因此SOFC具有噪音低，能量轉(zhuǎn)化率高的特點。同時由于發(fā)生反應(yīng)的產(chǎn)物為水，沒有硫化物、氮化物等氣體排出，SOFC具有高效、清潔的特點，是目前公認的應(yīng)對能源危機的有效發(fā)電裝置。
[0005]目前而言，固體氧化物燃料電池的燃料主要是氫氣和天然氣，但是，氫氣的制備成本較高，儲存安全成本過高；天然氣需要額外的重整設(shè)備來輔助，以避免陽極一側(cè)的積碳發(fā)生。因為，陽極一側(cè)積碳或者硫磷毒化均會使得電池陽極(N1/YSZ)發(fā)生不可逆的結(jié)構(gòu)性破壞，最后導(dǎo)致電池電堆發(fā)生失效。就燃料而言，自然界有許多的高含碳的固態(tài)燃料，比如煤碳、石油和生物質(zhì)燃料。這些燃料現(xiàn)在大多以燃燒的方式給人們生活帶來電力和熱量，但是總體而言，它們的燃料利用率較低，而且釋放很多的溫室氣體，更為關(guān)鍵的是，化石燃料的儲存是有限的。所以，尋求一種可以直接利用固態(tài)碳燃料來高效率發(fā)電的技術(shù)是人類社會的迫切需求。
[0006]直接碳固體氧化物燃料電池是一種直接使用固態(tài)碳燃料的清潔能源技術(shù)。氧氣在電池陰極吸附解離成氧離子并傳輸通過電解質(zhì)層到達陽極與碳原子發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生電能。但是氧離子只存在于電解質(zhì)陽極界面幾十個微米附近，所以，顯而易見地可知，碳原子和氧離子沒有很好的物理化學(xué)接觸，導(dǎo)致電池功率較低。
[0007]許多研究者采用了很多方法去改進電池的電化學(xué)反應(yīng):其中，采用二氧化碳或者水蒸氣汽化固態(tài)碳燃料產(chǎn)生一氧化碳和氫氣的方法占據(jù)了主流。其次，還可以利用共晶熔融碳酸鹽作為氧離子載體，以增大固態(tài)碳與碳酸根離子的接觸面積，最終可實現(xiàn)較高的電化學(xué)速率。
[0008]近來，在工作溫度下呈現(xiàn)液體狀態(tài)的金屬或者合金陽極直接碳固體氧化物燃料電池收到了較大的關(guān)注。低熔點金屬如鉍、鉛、銦、錫銻、銀、及其合金都被用來作為陽極，研究者使用較薄的電解質(zhì)作為支撐體，取得了較高的電池功率。
[0009]但是，目前大多數(shù)液態(tài)金屬或者合金陽極研究者所采用的平板式結(jié)構(gòu)電池面臨著許多的問題。(I)首先，由于平板式電池集成電堆之后，沒有設(shè)計腔體空間加載固態(tài)燃料，造成固態(tài)燃料加載不方便；(2)其次，液態(tài)相陽極的存在使得平板式電池電堆根本無法組裝、密封，無法持續(xù)加載燃料。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進需求，本發(fā)明提供了一種銻陽極直接碳固體氧化物燃料電池電堆及其制備方法，其目的在于，設(shè)計呈管狀的單電池，利用管狀形式的結(jié)構(gòu)特點將單電池封裝集成在電堆腔體內(nèi)獲得電堆，通過向電堆腔體內(nèi)加載燃料就能實現(xiàn)燃料補給，由此解決現(xiàn)有平板式結(jié)構(gòu)的銻陽極電池或者不能集成成為電堆、或者不易組裝、或者加載燃料不方便甚至是無法持續(xù)加載燃料的技術(shù)問題。
[0011]為實現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個方面，提供了一種銻陽極直接碳固體氧化物燃料電池，其該電池呈管狀，所述管狀電池的內(nèi)壁為陰極或者集成陰極的陰極支撐體，該管狀電池的外壁為電解質(zhì)支撐體或者電解質(zhì)，該管狀電池的陽極位于所述電解質(zhì)表面。
[0012]通過以上發(fā)明構(gòu)思，將單電池設(shè)計成管狀結(jié)構(gòu)，能方便單電池以并聯(lián)方式、串聯(lián)方式或者并串聯(lián)結(jié)合方式集成為電堆，管狀結(jié)構(gòu)不會產(chǎn)生氧化還原導(dǎo)致的體積變化，結(jié)構(gòu)一致性好，不容易損壞。
[0013]進一步的，所述陰極為多孔陰極，所述電解質(zhì)為致密電解質(zhì)。
[0014]按照本發(fā)明的另一方面，還提供一種銻陽極直接碳固體氧化物燃料電池電堆，其包括電堆腔體和封裝集成在電堆腔體中的多個單電池，所述單電池為如上所述的燃料電池，所述電堆腔體的內(nèi)部具有空腔，用于容置作為陽極的液態(tài)銻，所述電堆腔體的頂部設(shè)置有燃料加載預(yù)留口。
[0015]以上發(fā)明構(gòu)思中，單電池呈現(xiàn)管狀結(jié)構(gòu)，將其封裝集成在電堆腔體內(nèi)，電堆腔體的內(nèi)部具有空腔，能用于容置液態(tài)的銻，同時還可以容置燃料，因而可持續(xù)加載燃料。
[0016]進一步的，所述電堆腔體的材料為陶瓷，在使用狀態(tài)下，所述陶瓷的致密度大于98 %，所述電堆腔體的材料和所述單電池中間體外壁的電解質(zhì)材料相同。使用與電池電解質(zhì)相同材質(zhì)的陶瓷來制作致密度98%以上的電堆腔體，能保持電池與電堆腔體的熱膨脹系數(shù)的一致性，防止電池工作過程中內(nèi)部產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。
[0017]進一步的，所述電堆腔體外觀呈矩形，該矩形電堆腔體的兩相對側(cè)壁上均設(shè)置有保護氣預(yù)留口，用于經(jīng)一側(cè)的所述保護氣預(yù)留口通入保護液態(tài)銻免被氧化的氣體并經(jīng)另一側(cè)的所述保護氣預(yù)留口排出。使用循環(huán)保護氣方式來保護電堆的液態(tài)銻陽極，可避免氧化氣氛的干擾。
[0018]按照本發(fā)明的第三個方面，還提供了一種制備如上所述的電池電堆的方法，其包括如下步驟:
[0019]S1:制備單電池中間體，所述單電池中間體呈管狀，所述呈管狀的單電池中間體的內(nèi)壁為陰極或者集成有陰極的陰極支撐體，對應(yīng)地該管狀的單電池中間體的外壁為電解質(zhì)支撐體或者電解質(zhì)；
[0020]S2:采用與單電池中間體的所述電解質(zhì)相同的材質(zhì)制備電堆腔體，所述電堆腔體上設(shè)置有保護氣預(yù)留口和燃料加載預(yù)留口，將多個所述的單電池中間體封裝集成在所述電堆腔體中，同時保證所述單電池中間體的兩個端部均伸出所述電堆腔體的壁外，獲得電堆中間體；
[0021]S3:先設(shè)置電堆中間體的陰極側(cè)集流線和陽極側(cè)集流線，接著向所述電堆中間體的所述空腔內(nèi)加入銻粉末，最后分別在所述電堆中間體的燃料加載預(yù)留口和保護氣預(yù)留口處分別設(shè)置燃料加載裝置和循環(huán)保護氣裝置。
[0022]通過以上發(fā)明構(gòu)思，單電池中間體的兩個端部均伸出所述電堆腔體的壁外，陰極的進氣直接從管狀單電池的端部進入即可，其陰極進氣方式簡單，無需專門的管道輸送，暴露在工作氣氛下即可。電堆腔體上設(shè)置有保護氣預(yù)留口和燃料加載預(yù)留口，在所述電堆中間體的燃料加載預(yù)留口和保護氣預(yù)留口處分別設(shè)置燃料加載裝置和循環(huán)保護氣裝置，使用循環(huán)保護氣方式來保護電堆的液態(tài)銻陽極，避免氧化氣氛的干擾，沒有陽極的還原過程系統(tǒng)可以較快的升到工作溫度，相對于傳統(tǒng)的N1/YSZ支撐的固體氧化物燃料電池，電堆從室溫升溫到工作溫度并運行的