專利名稱：一種使用棒狀或粉末狀碳燃料的碳燃料電池的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種碳燃料電池，特別涉及一種使用棒狀或粉末狀碳燃料的碳燃料電池。
背景技術：
碳燃料電池(DCFC)主要具有以下優點第一，直接而高效利用了化石燃料中碳的能量；第二，碳燃料電池的理論熱效率為100％，熵變為0；第三，碳的進料和產出的二氧化碳集成在一個單元里，并且容易收集。直接碳燃料電池的碳源廣泛，可以來自石油裂解中的積碳、煤炭以及生物碳等。
我國是世界產煤第一大國，同時也是用煤大國，高效清潔的碳燃料電池必將對我國的能源和環保產生重要的影響。但到目前為止，關于碳燃料電池的報道很少，碳燃料電池有待于進一步的研究和應用。
發明內容
為了解決上述技術問題，本發明提供了一種新型的碳燃料電池，本發明的碳燃料電池以廉價的碳材料為原料，以熔融碳酸鹽為電解質，通過電化學方式獲得穩定高效的能量輸出，同時生產純凈的二氧化碳氣體。
本發明的目的是提供一種使用棒狀或粉末狀碳燃料的碳燃料電池。
本發明的一種使用棒狀或粉末狀碳燃料的碳燃料電池，采用多孔鎳管反應器作為容器，其內盛裝作為電解質的熔融碳酸鹽，同時多孔鎳管內壁做為電池的陰極。
本發明的碳燃料電池以棒狀或粉末狀碳燃料的碳燃料電池為陽極。以棒狀碳燃料做為陽極，陽極直接插于熔融電解質中。
以粉末狀或顆粒狀碳燃料做為陽極，粉末狀或顆粒狀碳燃料分散在熔融電解質中，燃料和熔融電解質的混合物呈漿狀，與鎳片集流器共同構成電池的陽極。
碳燃料電池多孔鎳管采用不銹鋼法蘭密封，通過導線將法蘭的緊固螺釘與電化學儀器或負載相連，構成電流回路或者測量回路。
本發明的碳燃料電池參比電極優選為黃金電極，采用雙艙式進氣結構。
碳燃料電池所述黃金電極由一鎳棒和固定于鎳棒尾端的一個黃金小圓餅組成，此黃金電極放置于一個由不銹鋼管為材料的支架內，在不銹鋼管的最上端和上半部分別罩有一個空心鋼罩，兩個鋼罩的側面均開有一小孔并由一不銹鋼管垂直導出，第一個鋼罩上端密封，下端通過其內側和不銹鋼管頂端的外側螺紋固定，并在鋼罩上端和下端都用修補劑密封，在第二個鋼罩下方的不銹鋼支架側壁開有一小孔，支架外面套有一陶瓷管，第二個鋼罩上端同不銹鋼管通過螺紋固定并用修補劑密封，下端開孔，孔的直徑與緊貼其下方的陶瓷管相同，將其與陶瓷管連接密封，陶瓷管的下端與不銹鋼支架密封，在不銹鋼支架的最下端與一底端封閉的陶瓷管相接，并在陶瓷管底部開有一微孔，支架和陶瓷管的連接處套有一用于密封的陶瓷管。
所述參比電極采用CO2和O2混合氣體為參比氣體。
參比電極采用雙艙式結構便于空氣和二氧化碳的流動，陶瓷管底部的微孔限制擴散。
本發明的對電極，也稱為輔助電極，主要有3方面的作用(1)用來通過電流，實現研究電極的極化(2)在該DCFC中，對電極同時是電池的陰極，發生電極反應。
(3)對電極采用一端封閉的多孔鎳管反應器，具有盛裝電解質和支撐工作電極和參比電極的作用。
本發明的工作原理1.棒狀碳材料陽極在該DCFC中，使用熔融碳酸鹽做為電解質，CO32-在其中擴散，實現電荷的傳導。使用棒狀碳材料做為電池的陽極(或工作電極，研究電極)材料，發生碳的氧化反應。采用一端封閉的多孔鎳管反應器做為電池的陰極(或對電極，輔助電極)，空氣從反應器外壁擴散進入，發生反應。陰陽兩極之間連接負載構成回路。采用黃金電極作為參比電極，與上述兩個電極構成三電極體系，各電極通過導線與電化學工作站相連結，使用電化學工作站對體系進行電化學測量。
2.粉末或顆粒狀碳材料陽極在該DCFC中，使用熔融碳酸鹽做為電解質，CO32-在其中擴散，實現電荷的傳導。粉末或顆粒狀碳材料分散在熔融電解質中，混合物呈漿狀，使用方形鎳片做為集流器收集碳材料氧化放出的電子，該部分做為電池的陽極，發生碳的氧化反應。采用一端封閉的多孔鎳管反應器做為電池的陰極(或對電極，輔助電極)，空氣從反應器外壁擴散進入，發生反應。陰陽兩極之間連接負載構成回路。采用黃金電極作為參比電極，與上述兩個電極構成三電極體系，各電極通過導線與電化學工作站相連結，使用電化學工作站對體系進行電化學測量。
本發明消耗的原料是炭，炭可以是任何的固態形式。
隨著石油資源的日趨緊缺和全球二氧化碳溫室效應，提高能源過程的能效呼聲益高。但目前燃煤的效率十分低下(僅3％)。高效地利用煤炭不僅可以節約化石燃料的使用量，還可以減少溫室氣體排放量。本專利構建的碳燃料電池可以直接利用棒狀或粉末狀的碳為燃料，電效率高達70％-80％，碳的進料和產出的二氧化碳集成在一個單元里容易收集。因此必然具有非常廣闊的市場前景。
圖1使用棒狀碳材料做為陽極的碳燃料電池其中1-研究電極，2-參比電極，3-對電極圖2使用粉末或顆粒狀碳材料做為陽極的碳燃料電池其中1-研究電極，2-參比電極，3-對電極，4-鎳片集流器圖3參比電極結構示意圖其中1-導線，2-進氣倉，3-出氣倉，4-不銹鋼管，5-陶瓷管，6-陶瓷管，7-黃金電極，8-微孔具體實施方式
采用多孔鎳管反應器作為容器，其內盛裝摩爾比1∶1∶1為的碳酸鈉、碳酸鉀和碳酸鋰三者的熔融混合物，以棒狀碳燃料做為陽極，陽極直接插于熔融電解質中，參比電極為黃金電極，采用雙艙式進氣結構，參比氣體為CO2和O2混合氣體，比例為2∶1，出口壓力0.4MPa。多孔鎳管采用不銹鋼法蘭密封，通過導線將法蘭的緊固螺釘與電化學儀器或負載相連，構成電流回路或者測量回路。
反應釜從室溫27℃加熱到550℃，升溫速率100℃/h。空氣進氣總量的壓力為0.188MPa，流量為434.4ml/min。電池出口反應剩余氣體流量為30ml/min，放空經過參比電極的混合氣體流量為87.5ml/min。
權利要求
1.一種使用棒狀或粉末狀碳燃料的碳燃料電池，其特征是采用多孔鎳管反應器作為容器，其內盛裝作為電解質的熔融碳酸鹽，同時多孔鎳管內壁做為電池的陰極。
2.如權利要求1所述的碳燃料電池，其特征是以棒狀碳燃料做為陽極，陽極直接插于熔融電解質中。
3.如權利要求1所述的碳燃料電池，其特征是以粉末狀或顆粒狀碳燃料做為陽極，粉末狀或顆粒狀碳燃料分散在熔融電解質中，燃料和熔融電解質的混合物呈漿狀，與鎳片集流器共同構成電池的陽極。
4.如權利要求2或3所述的碳燃料電池，其特征是多孔鎳管采用不銹鋼法蘭密封，通過導線將法蘭的緊固螺釘與電化學儀器或負載相連，構成電流回路或者測量回路。
5.如權利要求4所述的碳燃料電池，其特征是參比電極為黃金電極，采用雙艙式進氣結構。
6.如權利要求5所述的碳燃料電池，其特征是所述黃金電極由一鎳棒和固定于鎳棒尾端的一個黃金小圓餅組成，此黃金電極放置于一個由不銹鋼管為材料的支架內，在不銹鋼管的最上端和上半部分別罩有一個空心鋼罩，兩個鋼罩的側面均開有一小孔并由一不銹鋼管垂直導出，第一個鋼罩上端密封，下端通過其內側和不銹鋼管頂端的外側螺紋固定，并在鋼罩上端和下端都用修補劑密封，在第二個鋼罩下方的不銹鋼支架側壁開有一小孔，支架外面套有一陶瓷管，第二個鋼罩上端同不銹鋼管通過螺紋固定并用修補劑密封，下端開孔，孔的直徑與緊貼其下方的陶瓷管相同，將其與陶瓷管連接密封，陶瓷管的下端與不銹鋼支架密封，在不銹鋼支架的最下端與一底端封閉的陶瓷管相接，并在陶瓷管底部開有一微孔，支架和陶瓷管的連接處套有一用于密封的陶瓷管。
7.如權利要求6所述的碳燃料電池，其特征是所述參比電極采用CO2和O2混合氣體為參比氣體。
全文摘要
一種使用棒狀或粉末狀碳燃料的碳燃料電池，本電池采用多孔鎳管反應器作為容器，其內盛裝做為電解質的熔融碳酸鹽，同時多孔鎳管內壁做為電池的陰極，以棒狀或粉末狀碳燃料的碳燃料電池為陽極。以棒狀碳燃料做為陽極時，陽極直接插于熔融電解質中。以粉末狀或顆粒狀碳燃料做為陽極時，粉末狀或顆粒狀碳燃料分散在熔融電解質中，燃料和熔融電解質的混合物呈漿狀，與鎳片集流器共同構成電池的陽極。參比電極采用雙艙式進氣結構。本發明的碳燃料電池以廉價的碳材料為原料，以熔融碳酸鹽為電解質，通過電化學方式獲得穩定高效的能量輸出，同時生產純凈的二氧化碳氣體，效率高達70％－80％。
文檔編號H01M8/00GK1929172SQ20061001549
公開日2007年3月14日 申請日期2006年8月30日 優先權日2006年8月30日
發明者李永丹, 章睿, 劉慶華 申請人:天津大學