[发明专利]中高温碳-空气电池

说明书

技术领域

本发明涉及固体氧化物燃料电池领域，尤其涉及一种基于固体氧化物燃料电池与CO₂分离膜的中高温(操作温度为500～900℃)碳-空气电池，是以碳作为燃料的储能电池。 

背景技术

燃料电池做为一种电化学能量转化装置，其可源源不断地将燃料转化为电能，具有比常规的火力发电更高的能量转化效率及比普通储能电池更高的能量密度而受到人们的广泛关注。在众多的燃料电池中，固体氧化物燃料电池(SOFCs)作为一种高温燃料电池，具有燃料多样性的突出优点，除了氢气外，碳氢化合物、碳氢氧化合物、氨气、CO甚至固体碳都可以作为SOFCs的燃料。固体碳做为燃料电池的燃料，与其它燃料相比具有众多优点：(1)能量密度高，碳的燃烧所释放的热量为20.0kWh L^-1，远远超出其他许多广泛使用的燃料如氢气(2.4kWhL^-1)，甲烷(4.0kWh L^-1)汽油(9.0kWh L^-1)和柴油(9.8kWh L^-1)；(2)来源非常丰富，可以通过煤、石油焦炭、生物质甚至有机垃圾废弃物的裂解而得到，特别煤是地球上储量最为丰富的化石能源，占所有化石能源的近60％；(3)安全无毒，在储存、运输及制备方面与氢气相比具有非常突出的优势；(4)碳作为燃料与氢相比，电池不存在氢脆的现象，因而可方便采用银作为密封剂，适合长时间的操作。 

以碳为内置燃料来构建碳-空气电池，理论容量可高达8935mAh g^-1，是目前碳作为锂电池电极的理论容量(365mAh g^-1的近25倍，比单质硅在锂电中的容量也高出一倍多，而且碳-空气电池的充电过程(再生)可以简单方便地通过添加碳燃料的方式得以实现。由于电池的阴极为空气电极，电池的容量几乎不受阴极的限制，因而电池的理论容量可达碳容量的40-60％，是目前锂离子电池容量的几十倍，另外碳是一种非常稳定的燃料，可见碳-空气电池有望在实现高容量高安全性的储能电池领域取得重要突破，然而目前关于以储能为目的的碳-空气电池的报道非常少，这源于碳的电化学氧化非常困难，采用常规的低温电化学过程难以实现碳的电化学氧化。另外，与常规燃料电池相比，储能电池是一封闭系 统，直接碳燃料电池会产生气态CO₂，因而需要额外的CO₂分离系统，使得电池的复杂度大大提高，降低了电池的体积和重量能量密度。 

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的直接碳燃料电池功率密度低，需要外部通入气体、结构相对复杂等问题，开发了一种基于管式固体氧化物燃料电池与CO₂分离膜的使用固体碳作为燃料的中高温碳-空气电池。 

本发明的具体技术方案如下：一种中高温碳-空气电池，由固体氧化物燃料电池2、CO₂分离膜1与碳燃料3组成；固体氧化物燃料电池是一端封闭的管式固体氧化物燃料电池，碳燃料3放置在管式固体氧化物燃料电池2内部，CO₂分离膜1密封在固体氧化物燃料电池2的开口端；碳-空气电池以碳为燃料，空气中的氧气为氧化气发生电化学反应。在工作温度下，碳燃料与CO₂反应生成CO，CO作为燃料供应到阳极，与阴极转移过来的O₂反应，生成CO₂，生成的CO₂一部分与碳反应，一部分通过CO₂分离膜转移出去。 

优选固体氧化物燃料电池2的构型是阳极支撑型、电解质支撑型或者阴极支撑型中的一种；固体氧化物燃料电池2由阳极2-1、电解质2-2和阴极2-3三层组成，阳极2-1在电池管内部，阴极2-3在电池管外部，电解质2-2层在阳极2-1与阴极2-3之间。 

优选固体氧化物燃料电池的电解质2-2为稳定氧化锆材料(如氧化钇稳定的氧化锆，YSZ)、掺杂氧化铈材料(如氧化钆掺杂的氧化铈，GDC)、掺杂的镓酸镧(如锶和镁掺杂的镓酸镧，LSGM)、掺杂的氧化铋(氧化钇掺杂的氧化铋，YSB)中的一种或者两者及两者以上的结合；结合方式可以是混合也可以是多层叠加。 

优选固体氧化物燃料电池阳极2-1为电解质2-2与Ni、Pt、Ag、Ru、Fe、Cu金属单质中的一种或者多种的混合物，其中金属单质占混合物的总质量的10-90％；或者是钙钛矿材料如LSSM、LSCM。