一种直碳燃料电池的自催化碳燃料的制备技术制造技术

本发明专利技术涉及一种直碳燃料电池领域，特别涉及一种直碳燃料电池的自催化碳燃料的制备技术，由以下制作步骤完成：1）将粒径粉碎至毫米乃至微米级的一种或两种原料混合物，先进行干燥处理，干燥条件是70～100摄氏度；2）然后在无氧或缺氧的环境下，将原料置于管式焦化炉中，在400～800度的中高温的条件下，焦化热分解后，再经过冷却得到具有自催化性能的碳燃料；有益效果是：碳燃料自身属无定形结构，具有较大的比表面积，在直碳燃料电池工作工况下，更易浸润在熔融碳酸盐浴中；同时此碳燃料颗粒自身表面有许多金属离子官能团，既起到了活化催化碳氧化反应的作用，也起到了增强电流传导的作用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种直碳燃料电池领域，特别涉及一种直碳燃料电池的自催化碳燃料的制备技术。
技术介绍
直碳燃料电池是一种将化学能量转化为电能的装置。它以碳为原料，直接将碳的化学能转化为电能；而不是应用传统的工艺通过碳的燃烧将其化学能转化为热能，再通过汽轮机将热能转化为机械能，进而带动发电机生成电能。因为不经历热能的转化，因此没有卡诺循环对效率上限的约束。理论上，直碳燃料电池的发电效率能达到100%，这与现有的火力发电30%左右的效率相比，可以说是革命性的提高。另外，由于煤炭是固体，氧化产物是CO2气体，直碳燃料电池的设计有利于两者的分离和CO2气体的回收，从而达到减排甚至零排放CO2温室气体的效果。进入新世纪以来，随着太阳能，生物质能，风能等新型能源和可再生能源研究的流行，燃料电池也进入人们的视野。随着研究的深入，燃料电池的种类也日趋广泛，发展出碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、质子交换膜燃料电池(PEMFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)、直接甲醇燃料电池(DMFC)等多种类型。这些燃料电池多以气体和液体为燃料，与直碳燃料电池利用固体碳为燃料相比，在燃料的储存和输送上都存在较大劣势，因此直碳燃料 电池成为燃料电池研究的热点。直碳燃料电池的碳燃料多为固体碳材料,其来源十分广泛，从传统化石矿产碳源(如煤炭)，到废弃物焦化产物(如焦炭)，再到可再生生物质碳化产物(如竹子碳纤维，秸杆木炭)，都可以作为直碳燃料电池的碳燃料。由于碳燃料是固体材料，所以直碳燃料电池的阳极氧化是固相-固相反应，一般认为这种类型的反应较为困难，主要是由于固体间接触的表面积有限，且传质较为困难；目前已有的改进方法主要有两种，一种是将固体碳燃料置于熔融的碳酸盐中，以增大反应接触面积；另一种方法是人工加入活化催化剂，如碱金属，碱土金属离子，过渡金属离子等，这些离子主要有两个用途，一是催化碳燃料的氧化反应，另一个是起到收集传导电流的作用。但是纯碳固体材料在碳酸盐中的浸润效果不是很好，增大接触面积有限，而人工加入金属离子在放大生产中也不可取。
技术实现思路
本专利技术的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种直碳燃料电池的自催化碳燃料的制备技术。—种直碳燃料电池的自催化碳燃料的制备技术，其特征是由以下制作步骤完成 I)将粒径粉碎至毫米乃至微米级的一种或两种原料混合物，先进行干燥处理，干燥条件是70 100摄氏度；2 )然后在无氧或缺氧的环境下，将原料置于管式焦化炉中，在400 800度的中高温的条件下，焦化热分解后，再经过冷却得到具有自催化性能的碳燃料； 所述的原料主要包括两大类可再生生物质中的碳元素和废弃物中的碳元素；所述的可再生生物质具体指植物秸杆，木纤维以及其他可再生的富碳类生物质；所述的废弃物具体指废纸，废旧塑料，弃置包装材料以及其他富碳类废弃物； 所述的无氧或缺氧环境由保护气提供，具体是指氮气，氩气，氦气或者直接碳燃料电池阳极产生的二氧化碳尾气。本专利技术得到的具有自催化性能的碳燃料的表面含有许多金属离子官能团，包括钾，钙，纳，镁等碱金属或碱土金属，也含有微量的铁，铜，镍，锌等过渡金属离子。其中，上述的无氧或缺氧的环境是通过保护气将管式加热炉的空气排除，先在中低温下加热一段时间原料，然后快速升温到400 800度的中高温，加热8个小时以上，最后在保护气的保护下慢慢冷却到室温。本专利技术的有益效果是碳燃料自身属无定形结构，具有较大的比表面积，在直碳燃料电池工作工况下，更易浸润在熔融碳酸盐浴中；同时此碳燃料颗粒自身表面有许多金属离子官能团，既起到了活化催化碳氧化反应的作用，也起到了增强电流传导的作用。该制备方法简单易操作，放大工程已实现。更为主要的是，所利用的碳源来自废弃物和可再生生物质，这对减少环境破坏与减少不可再生资源的消耗，以及环境保护都十分有益。附图说明附图1是实施例1中的竹纤维碳燃料X射线粉末晶体衍射表征结果图 附图2是实施例2中的废旧纸屑碳燃料X射线粉末晶体衍射表征结果图 附图3是以竹碳为燃料的 直碳燃料电池性能表征结果图。具体实施例方式下面结合附图给出本自催化碳燃料的制备技术的具体实施例，对该直碳燃料电池的碳燃料技术进行进一步的说明 实施例1 : 以竹纤维作为可再生生物质原料，在敞口容器中加入适量机械破碎过的竹纤维，其粒径粉碎至毫米乃至微米级，将竹纤维连同敞口容器一同放入管式加热炉中，通入氮气排除炉腔内的空气，并保持氮气氛围，先在中低温下加热一段时间，干燥竹纤维，然后快速升温到500 800度左右，加热8个小时以上，最后在氮气保护下慢慢冷却到室温，即得到所述的自催化碳燃料。对所得的竹碳燃料进行表征，检测结果详见附图1和附表一。可见此方法由竹纤维制备得到的碳燃料其无定形程度更高，表面也确有较多金属离子。实施例2: 以废旧纸盒作为废弃物原料，在敞口容器中加入适量经机械破碎废丨日纸盒得到的碎纸屑，其粒径粉碎至毫米乃至微米级，将碎纸屑连同敞口容器一同放入管式加热炉中，通入氮气排除炉腔内的空气，并保持氮气氛围，先在中低温下加热一段时间，干燥碎纸屑，然后快速升温到500 800度左右，加热8个小时以上，最后在氮气保护下慢慢冷却到室温，即得到所述的自催化碳燃料。对所得的纸屑碳燃料进行表征，检测结果详见附图2和附表二。可见此方法由废旧纸屑制备得到的碳燃料其无定形程度更高，表面也确有较多金属离子。下面列举以竹碳为燃料的直碳燃料电池性能一例 将上述所得的竹碳燃料与共晶碳酸盐按质量比1:1进行混合，装入直碳燃料电池设备中，在700摄氏度下测试电池的性能，所得性能曲线见附图3，该共晶碳酸盐为本领域技术人员所熟知的常规共晶碳酸盐均可。附表一竹纤维碳燃料X射线光电子分光光谱表征结果图，如下表本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种直碳燃料电池的自催化碳燃料的制备技术，其特征是由以下制作步骤完成：1）将粒径粉碎至毫米乃至微米级的一种或两种原料混合物，先进行干燥处理，干燥条件是70～100摄氏度；2）然后在无氧或缺氧的环境下，将原料置于管式焦化炉中，在400～800度的中高温的条件下，焦化热分解后，再经过冷却得到具有自催化性能的碳燃料；所述的原料主要包括两大类：可再生生物质中的碳元素和废弃物中的碳元素；所述的可再生生物质具体指植物秸秆，木纤维以及其他可再生的富碳类生物质；所述的废弃物具体指废纸，废旧塑料，弃置包装材料以及其他富碳类废弃物；所述的无氧或缺氧环境由保护气提供，具体是指氮气，氩气，氦气或者直接碳燃料电池阳极产生的二氧化碳尾气。

【技术特征摘要】
1.一种直碳燃料电池的自催化碳燃料的制备技术，其特征是由以下制作步骤完成1)将粒径粉碎至毫米乃至微米级的一种或两种原料混合物，先进行干燥处理，干燥条件是70 100摄氏度；2 )然后在无氧或缺氧的环境下，将原料置于管式焦化炉中，在400 800度的中高温的条件下，焦化热分解后，再经过冷却得到具有自催化性能的碳燃料；所述的原料主要包括两大类可再生生物质中的碳元素和废弃物中的碳元素；所述的可再生生物质具体指植物秸杆，木纤维以及其他可再生的富碳类生物质；所述的废弃物具体指废纸，废旧塑料，弃置包装材料以及其他富碳类废弃物；所述的无氧或缺氧环境...

【专利技术属性】
技术研发人员：弭永利，郝文斌，
申请(专利权)人：东营杰达化工科技有限公司，
类型：发明
国别省市：