[发明专利]一种提高固体氧化物直接碳燃料电池性能的方法

说明书

技术领域

本发明属于清洁能源技术领域。特别涉及一种提高固体氧化物直接碳燃料电池性能的方法。

背景技术

能源是国民经济的支柱，是人类社会发展所必需的推动力。从工业革命开始，人类动力主要通过热机获得。但是，由于热机受“卡诺极限”的限制，效率提高较为困难，造成能源的浪费，同时排放出大量污染物，严重危害人类生存环境。因此，探索清洁、环保、高效的能源利用方式成为世界能源发展的必然方向。

燃料电池能够将燃料中的化学能直接转化为电能，具有能量转换效率高、洁净无污染、噪声低、模块结构性强等优点，有望成为未来能源供应系统的重要组成部分。其中，固体氧化物直接碳燃料电池(Solid Oxide Direct Carbon Fuel Cell，SO-DCFC)采用固体碳为燃料，将其中的化学能直接转化为电能，其独特优势在于：理论效率更高；固体碳燃料体积小、热值高、来源广泛；避免了液体电解质的腐蚀与泄露；有利于二氧化碳的富集与减排，具有很高的发展潜力。其反应机理如下：

阳极：C+2O^2-→CO₂+4e^-  (1)

C+CO₂→2CO             (2)

C+H₂O→CO+H₂           (3)

O^2-+CO→CO₂+2e^-        (4)

O^2-+H₂→H₂O+2e^-        (5)

阴极：O₂+4e^-→2O^2-    (6)

总反应：C+O₂→CO₂     (7)

由以上反应机理可知，在固体氧化物直接碳燃料电池阳极主要存在碳的直接电化学反应(1)，碳气化反应(2)和(3)，以及气体电化学反应(4)和(5)。目前SO-DCFC阳极反应速率较慢，电流密度低，严重影响了电池整体性能与实际应用。因此，如何加快SO-DCFC阳极反应速率、降低反应温度，以提高电池性能是固体氧化物直接碳燃料电池技术发展的关键。

发明内容

本发明的目的是提出一种提高固体氧化物直接碳燃料电池性能的方法，该方法通过引入催化气化，达到提高碳燃料的反应活性，加快阳极碳气化反应速度，改善电池性能的目的；其特征在于，具体步骤如下：在固体氧化物直接碳燃料电池基础上，按照金属元素与碳燃料质量比1％～30％比例向固体碳燃料中添加金属盐作为催化剂，将添加有金属盐的固体碳作为燃料置于直接碳燃料电池阳极腔体内，同时通入阳极载气保持阳极反应气氛，阴极通入空气或氧气作为氧化剂，直接碳燃料电池工作温度范围为600～1000℃。

所述向固体碳燃料中添加金属盐的方法为粉体物理混合法、溶液浸渍法和离子交换法。

所述的碳燃料是化学组分为碳元素的物质，包括炭黑、石墨、焦炭、秸秆、煤和石油焦中一种或一种以上。

所述阳极载气包括N₂、Ar、He、CO₂或H₂O。

所述金属盐为锂Li、钠Na、钾K、铍Be、镁Mg、钙Ca、锶Sr、钪Sc、钛Ti、钒V、锰Mn、铁Fe、镍Ni、钼Mo和银Ag所对应的碳酸盐、碳酸氢盐、硫酸盐、硝酸盐及其水络合物中一种或为一种以上的混合物。

本发明产生的效果是固体氧化物直接碳燃料电池阳极反应速率与工作温度密切相关，直接决定了电池性能，典型的SO-DCFC工作温度范围为600-1000℃而其中碳燃料气化反应式(2)和(3)的最佳工作温度范围在900℃以上，与燃料电池最佳工作温度范围600-1000℃不匹配。碳燃料气化反应直接影响电池性能的速率控制因素。本发明通过向固体碳燃料中添加金属盐类催化剂，加快了碳燃料气化反应式(2)和(3)的反应速率，进而产生更多CO和H₂，加快气体电化学反应式(4)和(5)进行，以提高电池电流密度，在给定工作温度和工作电压下改进了电池性能。