一种提高固体氧化物直接碳燃料电池性能的方法技术

本发明专利技术公开了属于清洁能源技术领域的一种提高固体氧化物直接碳燃料电池性能的方法，在固体氧化物直接碳燃料电池基础上，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，电池工作温度范围为６００～１０００℃。本发明专利技术在现有技术基础上进一步提高固体碳燃料的反应活性，降低电池工作温度，改进电池性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于清洁能源
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。
技术介绍
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+202- — C02+4e" (1)C+C02 — 2C0(2)C+H20 — C0+H2(3)02>C0 — C02+2e"(4)O2^H2 — H20+2e"(5)阴极—202- (6)总反应C+02—(X)2 (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⑵和(3)，以及气体电化学反应⑷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。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出，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 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°C。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。所述阳极载气包括队、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、 铁狗、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。本专利技术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600-100(TC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°C以上，与燃料电池最佳工作温度范围 600-1000°C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。本专利技术通过向固 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( 和C3)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。本专利技术解决了固体氧化物直接碳燃料电池中碳燃料气化反应速率与气体电化学 反应速率不匹配的矛盾，能够在现有技术基础上，进一步提高固体碳燃料的反应活性，改进 电池性能；同时，本专利技术在保证SO-DCFC性能基础上，进一步降低了电池工作温度，降低了 对电池材料及高温密封的要求。具体实施例方式本专利技术提出，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。下 面结合实施例对本专利技术予以说明。实施例1以碱金属盐K2CO3作为催化剂前驱物，以炭黑作为固体碳燃料，采用浸渍法向炭黑 中添加K催化剂，催化剂添加量根据K原子与炭黑质量比10%计算。将添加有K2CO3的炭 黑作为燃料置于直接碳燃料电池阳极腔体内，以50ml · HIirT1流量的CO2作为阳极载气，以 IOOml · miiT1流量的仏作为阴极氧化剂，电池工作温度750°C。此时，SO-DCFC在0. 7V恒 压放电工况下平均功率密度为1477W*m_2，出口阳极载气中CO摩尔分数为19.8%。此时， 750°C下炭黑添加K2CO3后的电池性能与950°C下炭黑不添加催化剂时的电池性能相当。实施例2以碱土金属盐Ca(NO3)2 · 4H20作为催化剂前驱物，以焦炭作为固体碳燃料，采用 浸渍法向焦炭中添加Ca催化剂，催化剂添加量根据Ca原子与焦炭质量比10%计算。将添 加有Ca(NO3)2的焦炭作为燃料置于直接碳燃料电池阳极腔体内，以50ml · mirT1流量的CO2 作为阳极载气，以100ml IirT1流量的O2作为阴极氧化剂，电池工作温度750°C。此时， SO-DCFC在0. 7V恒压放电工况下平均功率密度为1034W ·πΓ2，出口阳极载气中CO摩尔分数 为9. 21%。此时，750°C下焦炭添加Ca(NO3)2后的电池性能与880°C下炭黑不添加催化剂时 的电池性能相当。实施例3以过渡金属盐Ni (NO3)2 · 6H20作为催化剂前驱物，以石墨作为固体碳燃料，采用 浸渍法向石墨中添加M催化剂，催化剂添加量根据M原子与石墨质量比10%计算。将添 加有Ni (NO3)2的石墨作为燃料置于直接碳燃料电池阳极腔体内，以50ml · mirT1流量的CO2 作为阳极载气，以100ml IirT1流量的O2作为阴极氧化剂，电池工作温度750°C。此时， SO-DCFC在0. 7V恒压放电工况下平均功率密度为1123W ·πΓ2，出口阳极载气中CO摩尔分数 为11.4%。此时，750°C下石墨添加Ni (NO3)2后的电池性能与900°C下炭黑不添加催化剂时 的电池性能相当。实施例4以碱金属盐NaNO3作为催化剂前驱物，以煤作为固体碳燃料，采用浸渍法向煤中 添加Na催化剂，催化剂添加量根据Na原子与煤质量比_20%。将添加有Ni (NO3)2的 煤作为燃料置于直接碳燃料电池阳极腔体内，以50ml · mirT1流量的(X)2作为阳极载气， 以IOOml · mirT1流量的仏作为阴极氧化剂，电池工作温度750°C。此时，750°C下煤添加 Na(NO3)2后的电池性能与900°C下炭黑不添加催化剂时的电池性能相当。实施例5以碱土金属盐MgSO4 · 7H20作为催化剂前驱物，以炭黑作为固体碳燃料，采用浸渍 法向炭黑中添加Mg催化剂，催化剂添加量根据Mg原子与炭黑质量比10%-30%。将添加有 MgSO4 ·7Η20的炭黑作为燃料置于直接碳燃料电池阳极腔体内，以50ml ^irT1流量的CO2作 为阳极载气，以100ml ^irT1流量的仏作为阴极氧化剂，电池工作温度750°C。此时，750°C 下炭黑添加MgSO4后的电池性能与900°C下炭黑不添加催化剂时的电池性能相当。实施例6以过渡金属盐AgNO3作为催化本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种提高固体氧化物直接碳燃料电池性能的方法，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℃。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡宁生，李晨，史翊翔，杨景标，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11