專利名稱：一種以液態(tài)金屬錫為陽極的直碳燃料電池裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及直碳燃料電池領域，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：
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，其作為燃料產生的CO2更在不斷加劇全球氣候的溫室效應。為此，許多國家投入大量科研經費，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，導致這種能源利用方式不僅效率有限，而且會產生大量溫室氣體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能量電池。它以碳為原料，直接將碳的化學能轉化為電能；而不是應用傳統(tǒng)的工藝通過碳的燃燒將其化學能轉化為熱能，再通過汽輪機將熱能轉化為機械能，進而帶動發(fā)電機生成電能。因為不經歷熱能的轉化，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，氧化產物是CO2氣體，直碳燃料電池的設計有利于兩者的分離和CO2氣體的回收，從而達到減排甚至零排放CO2溫室氣體的效果。進入新世紀以來，隨著太陽能，生物質能，風能等新型能源和可再生能源研究的流行，燃料電池也進入人們的視野。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。直碳燃料電池的陽極傳質機理的研究還處在探索階段?，F(xiàn)有的陽極區(qū)的結構都是將碳燃料與同為電子與離子導體的碳酸鹽混合，并在陽極區(qū)安裝電流收集器(例如鎳網(wǎng))來實現(xiàn)陽極傳質過程。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的效率。這是直碳燃料電池陽極傳質需要改進的一個技術難題。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的就是針對現(xiàn)有技術存在的上述缺陷，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，利用錫熔點低的特點，在電池運行的工況下，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過程。其技術方案是主要由陽極出氣管、氣泵、陰極進氣導管、圓筒型容器、導熱墊片、陽極進氣管、陰極出氣導管、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有蓋，外面有加熱圈包裹，圓筒型容器內底部有導熱墊片，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)，由氣泵經陰極進氣導管將陰極氣導入，陰極尾氣由陰極出氣導管導出；圓筒型容器上部為陽極區(qū)，陽極載氣經陽極進氣管導入，由陽極出氣管導出；所述的電池單體從下到上依次為陶瓷支撐，電池陰極，陰極電解質過渡層，電解質層，用高溫密封膠與碳燃料倉粘連密封，在碳燃料倉內裝入金屬錫粉與碳燃料的混合物，各部件緊密結合構成電池單體，通過陰極集流導線和陽極集流導線連接外部負載。上述的電池單體可以為四層到五層結構四層結構是從下到上依次是陶瓷支撐，電池陰極，陰極電解質過渡層和電解質層；五層結構則是四層基礎上，在陽極與電解質層中間，添加陽極一電解質過渡層。上述的金屬錫粉采用的是錫粉末，其粒徑為Imm至10nm。電解質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合電解質，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A1203，碳酸 鋰Li2C03，碳酸鉀K2C03，碳酸鈉Na2C03其中的兩種或者兩種以上按一定質量比混合而形成的復合電解質材料。上述的碳燃料倉為陶瓷管，所述的導熱墊片為陶瓷片，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。上述的陽極氣為氮氣。上述的陰極氣是空氣，氧氣或者兩者的混合氣。本發(fā)明的有益效果是該直碳燃料電池單體以液態(tài)金屬錫為陽極，而非現(xiàn)有的含碳燃料混合物與電流收集器構成的陽極結構，提高了陽極傳質性能；同時，可依據(jù)這一新結構進行大功率直碳燃料電池堆的研究與開發(fā)。


圖I是本發(fā)明的結構示意 圖2是本發(fā)明的電池單體的結構 上圖中陰極集流導線I、碳燃料2、金屬錫粉3、電解質層4、電池陰極5、陽極集流導線
6、碳燃料倉7、陰極電解質過渡層8，陶瓷支撐9、陽極出氣管10、氣泵11、陰極進氣導管12、圓筒型容器13、導熱墊片14、陽極進氣管15、陰極出氣導管16、密封墊圈17、電池單體18、加熱圈19。
具體實施例方式本發(fā)明提到的一種以液態(tài)金屬錫為陽極的直碳燃料電池裝置，主要由陽極出氣管10、氣泵11、陰極進氣導管12、圓筒型容器13、導熱墊片14、陽極進氣管15、陰極出氣導管16、密封墊圈17、電池單體18、加熱圈19組成，所述的圓筒型容器13的頂部設有蓋，外面有加熱圈19包裹，圓筒型容器13內底部有導熱墊片14，電池單體18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17將圓筒型容器13分隔成陰極區(qū)和陽極區(qū)；圓筒型容器13下部為陰極區(qū)，由氣泵11經陰極進氣導管12將陰極氣導入，陰極尾氣由陰極出氣導管16導出；圓筒型容器13上部為陽極區(qū)，陽極載氣經陽極進氣管15導入，由陽極出氣管10導出；所述的電池單體18從下到上依次為陶瓷支撐9，電池陰極5，陰極電解質過渡層8，電解質層4，用高溫密封膠與碳燃料倉7粘連密封，在碳燃料倉7內裝入金屬錫粉3與碳燃料2的混合物，各部件緊密結合構成電池單體，通過陰極集流導線I和陽極集流導線6連接外部負載。上述的電池單體18可以為四層到五層結構四層結構是從下到上依次是陶瓷支撐9，電池陰極5，陰極電解質過渡層8和電解質層4 ;五層結構則是四層基礎上，在陽極與電解質層4中間，添加陽極一電解質過渡層。上述的金屬錫粉3采用的是錫粉末，其粒徑為Imm至10nm。電解質層4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合電解 質，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A1203，碳酸鋰Li2C03，碳酸鉀K2C03，碳酸鈉Na2C03其中的兩種或者兩種以上按一定質量比混合而形成的復合電解質材料，為本領域技術人員所熟知的現(xiàn)有技術。上述的碳燃料倉7為陶瓷管，所述的導熱墊片14為陶瓷片，所述的密封墊圈17為氧化鋁纖維板，所述的圓筒型容器13為不銹鋼釜，所述的加熱圈19為陶瓷加熱圈。上述的碳燃料2為無定形碳，碳黑，煤炭，焦炭或者其他含碳豐富的燃料。上述的陽極氣為氮氣；上述的陰極氣是空氣，氧氣或者兩者按為本領域技術人員所熟知的比例混合。其工作溫度范圍是500至1000°C，另外，可依據(jù)實際情況，碳燃料的供給可采用間歇進料工作方式，可嘗試連續(xù)進料方式改造。以下結合實例，對該直碳燃料電池技術進行進一步的說明
實施例I :以碳黑作為碳燃料，將其與錫粉按質量比20 3混合加入到以液態(tài)金屬錫為陽極的直碳燃料電池單體的燃料腔中，密封好電池裝置。在常溫下，向陽極通入氮氣，排除陽極腔內的空氣。開啟加熱器，升溫到500°C時，向陰極腔通入空氣，氣壓為0. 5Mpa,記錄電池工況，現(xiàn)列舉750°C下的電池放電性能，見附表一。實施例2 :以碳黑作為碳燃料，將其與錫粉按質量比6 :1混合加入到以液態(tài)金屬錫為陽極的直碳燃料電池單體的燃料腔中，密封好電池裝置。在常溫下，向陽極通入氮氣，排除陽極腔內的空氣。開啟加熱器，升溫到500°C時，向陰極腔通入空氣，氣壓為0. 5Mpa,記錄電池工況，現(xiàn)列舉750°C下的電池放電性能，見附表一。實施例3 :以碳黑作為碳燃料，將其與錫粉按質量比11 1混合加入到以液態(tài)金屬錫為陽極的直碳燃料電池單體的燃料腔中，密封好電池裝置。在常溫下，向陽極通入氮氣，排除陽極腔內的空氣。開啟加熱器，升溫到500°C時，向陰極腔通入空氣，氣壓為0. 5Mpa,記錄電池工況，現(xiàn)列舉800 V下的電池放電性能，見附表一。
權利要求
1.一種以液態(tài)金屬錫為陽極的直碳燃料電池裝置，其特征是主要由陽極出氣管(10)、氣泵(11)、陰極進氣導管(12)、圓筒型容器(13)、導熱墊片(14)、陽極進氣管(15)、陰極出氣導管(16)、密封墊圈(17)、電池單體(18)、加熱圈(19)組成，所述的圓筒型容器(13)的頂部設有蓋，外面有加熱圈(19)包裹，圓筒型容器(13)內底部有導熱墊片(14)，電池單體(18)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(17)將圓筒型容器(13)分隔成陰極區(qū)和陽極區(qū)；圓筒型容器(13)下部為陰極區(qū)，由氣泵(11)經陰極進氣導管(12)將陰極氣導入，陰極尾氣由陰極出氣導管(16)導出；圓筒型容器(13)上部為陽極區(qū)，陽極載氣經陽極進氣管(15)導入，由陽極出氣管(10)導出；所述的電池單體(18)從下到上依次為陶瓷支撐(9)，電池陰極(5)，陰極電解質過渡層(8)，電解質層(4)，用高溫密封膠與碳燃料倉(7)粘連密封，在碳燃料倉(7)內裝入金屬錫粉(3)與碳燃料(2)的混合物，各部件緊密結合構成電池單體，通過陰極集流導線(I)和陽極集流導線(6)連接外部負載。
2.根據(jù)權利要求I所述的以液態(tài)金屬錫為陽極的直碳燃料電池裝置，其特征是所述的電池單體(18)可以為四層到五層結構四層結構是從下到上依次是陶瓷支撐(9)，電池陰極(5)，陰極電解質過渡層(8)和電解質層(4);五層結構則是四層基礎上，在陽極與電解質層(4)中間，添加陽極一電解質過渡層。
3.根據(jù)權利要求I所述的以液態(tài)金屬錫為陽極的直碳燃料電池裝置，其特征是所述的金屬錫粉(3)采用的是錫粉末，其粒徑為Imm至10nm。
4.根據(jù)權利要求I所述的以液態(tài)金屬錫為陽極的直碳燃料電池裝置，其特征是電解質層(4)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合電解質。
5.根據(jù)權利要求I所述的以液態(tài)金屬錫為陽極的直碳燃料電池裝置，其特征是所述的碳燃料倉⑵為陶瓷管，所述的導熱墊片(14)為陶瓷片，所述的密封墊圈(17)為氧化鋁纖維板，所述的圓筒型容器(13)為不銹鋼釜，所述的加熱圈(19)為陶瓷加熱圈。
6.根據(jù)權利要求I所述的以液態(tài)金屬錫為陽極的直碳燃料電池裝置，其特征是所述的碳燃料(2)為無定形碳，碳黑，煤炭，焦炭或者其他含碳豐富的燃料。
7.根據(jù)權利要求I所述的以液態(tài)金屬錫為陽極的直碳燃料電池裝置，其特征是所述的陽極氣為氮氣。
8.根據(jù)權利要求I所述的以液態(tài)金屬錫為陽極的直碳燃料電池裝置，其特征是所述的陰極氣是空氣或氧氣。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種以液態(tài)金屬錫為陽極的直碳燃料電池裝置。本發(fā)明的圓筒型容器的頂部設有蓋，外面有加熱圈包裹，圓筒型容器內底部有導熱墊片，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)，由氣泵經陰極進氣導管將陰極氣導入，陰極尾氣由陰極出氣導管導出；圓筒型容器上部為陽極區(qū)，陽極載氣經陽極進氣管導入，由陽極出氣管導出。有益效果是以液態(tài)金屬錫為陽極，而非現(xiàn)有的含碳燃料混合物與電流收集器構成的陽極結構，提高了陽極傳質性能；同時，可依據(jù)這一新結構進行大功率直碳燃料電池堆的研究與開發(fā)。
文檔編號H01M4/86GK102723516SQ20121019762
公開日2012年10月10日 申請日期2012年6月15日 優(yōu)先權日2012年6月15日
發(fā)明者何曉瑾, 弭永利, 郝文斌 申請人:東營杰達化工科技有限公司