專利名稱：一種火焰燃料電池及其可以發電的煤球爐的制作方法
技術領域：
本發明屬于能源、電力領域，涉及一種火焰燃料電池及其制備方法，以及含有上述火焰燃料電池新型煤球爐。
背景技術：
煤球爐作為人們廣泛使用的家庭供熱供暖設備早已使用多年，它利用煤球燃燒的熱量來以起到供暖供熱的效果，這為許多家庭帶來了方便。然而，由于煤球燃燒的大部分熱量由于得不到及時利用就散失掉了，傳統的煤球爐的能量利用率卻不高。同時，其在燃燒過程當中產生的一些合成氣往往來不及燃燒而浪費掉，特別是其中的一氧化碳不完全反應掉反而威脅人們的身體健康。
燃料電池可以把燃料的化學能直接轉變為電能，而不受卡諾熱機效率的限制。鑒于其高能量轉換效率、操作方便、對環境低污染的特點，近半個世紀來特別是近十年來世界各國普遍重視并大力投入研制開發。經過堿性燃料電池，磷酸燃料電池，熔融碳酸鹽燃料電池的發展階段，目前國際公認固體氧化物燃料電池(SOFC)更具有突出優點，稱為第四代燃料電池。SOFC的發電效率高，能量密度大，是目前以碳基化合物(如天然氣)為燃料的燃料電池中發電效率最高的一種，其一次發電效率就達到65％以上。余熱利用價值高，優質的余熱可以用于熱電聯供。直接火焰燃料電池是一種新型的固體氧化物燃料電池，其利用燃料燃燒產生的合成氣(主要為氫氣和一氧化碳)作為燃料，同時利用燃料燃燒產生的熱量為燃料電池提供熱量達到所需要的溫度。由于其不需密封，結構簡單，而且燃料選擇范圍廣，有火既可發電，使得火焰燃料電池使用起來既便宜又方便。專利JP20050208754和JP20050208552對此類電池進行了大量的研究。但是從目前發展狀況看，以往的研究傾向于對其外觀的設計，而往往忽略了電池本身的一些應用特點，如電池的積炭問題，可使用燃料的價格問題。特別是現在研究大多以使用含碳燃料作為燃料，往往因積碳問題導致電池功率下降甚至導致電池破裂，這些都需要加以考慮。
發明內容
本發明的目的在于是為了解決上述燃料電池因積炭問題而提出了一種含有陽極催化層火焰燃料電池，同時還提供了上述火焰燃料電池的制備方法，本發明還有一個目的是提供含有上述火焰燃料電池可以發電又可以供暖供熱的煤球爐。
本發明的原理為給電池覆上一層催化層來解決積炭問題，綜合考慮煤球爐和直接火焰燃料電池各自的特點，我們將兩者結合起來，使得傳統的煤球爐膛做成固體氧化物燃料電池管式形狀，從而讓煤球爐利用煤球燃燒產生的熱和合成氣來發電，發明了一種既可以發電又可以供暖供熱的新型煤球爐。同時，這種由固體氧化物燃料電池構成的小型爐膛不需要密封，加上煤球價格便宜，因此整個煤球爐成本低，易于應用，性價比高，可大大提高煤球的利用率，從而起到節約能源的作用。
本發明具體的技術方案為一種火焰燃料電池，其特征在于依次由陽極催化層1、陽極層2、固體電解質層3和陰極層4組成，其中陽極催化層厚度為10-50μm，陽極層厚度為300-700μm，固體電解質層厚度為10-400μm，陰極層厚度為5-100μm。
其中所述的固體電解質層3為致密或是多孔的；陽極催化層1、陽極層2和陰極層4是多孔的。所述陽極催化層的孔隙率為20％～60％。
上述的固體電解質層3材料為Y2O3摻雜的ZrO2、Sc2O3摻雜的ZrO2或Ce0.8Sm0.2O1.9(SDC)材料，其中Y2O3摻雜量占Y2O3和ZrO2總摩爾量的8％，即YSZ，Sc2O3摻雜量占Sc2O3和ZrO2總摩爾量的9mol％，即SScZ；陽極催化層材料為SDC和Ru的混合物，其中Ru質量含量為陽極催化層材料總量的1％～15％之間；陽極層材料為SDC和NiO、YSZ和NiO或SScZ和NiO構成，其NiO質量含量為陽極層材料總量的20～50％；陰極層材料為La0.8Sr0.2MnO3-δ、La0.8Sr0.2Co0.2Fe0.8O3-δ或Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ。
本發明還提供了上述火焰燃料電池的制備方法，其步驟為A.首先制備陽極漿料，把占固體電解質材料和氧化鎳總量的20％～50％氧化鎳和固體電解質材料預混合后，加入聚乙烯醇縮丁荃(PVB)和乙二醇球磨混合，通過擠壓成環型然，在1200～1500℃下煅燒2～10小時，制得厚度為300-700μm陽極層；B.通過超聲噴涂把電解質材料的粉料噴到陽極外表面，控制厚度為10-100μm，在1200～1500℃下煅燒2～10小時；C.通過超聲噴涂把陰極材料的粉料噴到電解質表面，控制厚度為5-100μm，然后800～1200℃煅燒2～10小時；D.將陽極催化層采用超聲噴涂到陽極表面，控制厚度為10-50μm，得火焰燃料電池。
其中聚乙烯醇縮丁荃和乙二醇的加入量以固體電解質和氧化鎳的質量之和為基準，分別占1％～10％。
本發明還提供了一種可以發電的煤球爐，包括一個外圍保護裝置和上述火焰燃料電池的爐膛，其中所述的爐膛為管狀；優選1～50個火焰燃料電池爐膛。外圍保護裝置材質為不銹鋼。
發電煤球爐中6和7分別是陽極導線和陰極導線，其材料可以是銀和金。
有益效果1、火焰燃料電池具有陽極催化層，起到抗積碳的作用，能夠防止電池因積炭而被撐劣，同時，催化層能夠對燃料進行內重整，提高燃料利用率。煤炭價格便宜，易于推廣；2、使用固體氧化物燃料電池作為爐膛，可以既發電也可供熱使煤球爐能夠穩定使用；3、可以直接采用可燃燒的含碳燃料即可；4、此煤球爐所發的電功率密度高，其能量密度達187mW/cm-2。
圖1為煤球爐的側面剖面示意圖。
圖2為煤球爐的俯視圖。
圖3為多個爐膛的組裝示意圖。其中1-陽極催化層、2-陽極層、3-固體電解質層、4-陰極層、5-外圍保護裝置，6-陰極導線，7-陽極導線。
圖4為采用煤球對煤球爐進行的性能測試的I-V曲線圖和功率密度圖，其中橫軸代表煤球爐的電流密度，左縱軸代表煤球的電壓。ο代表在一定電流密度下電池的功率密度。·代表在一定電流密度的情況下，煤球爐的電壓。
具體實施例方式
實例1YSZ為電解質材料火焰燃料電池煤球爐爐膛的制備首先在制備煤球爐爐膛陽極層，材料由NiO和YSZ構成，兩者的質量比為1∶4，先將NiO和YSZ粉體混合，然后加入聚乙烯醇縮丁荃(PVB)和乙二醇球磨混合，其中PVB質量含量在1％(以固體電解質和氧化鎳的質量之和為基準)，乙二醇質量含量在10％(以固體電解質和氧化鎳的質量之和為基準)，通過擠壓成圓筒型，陽極的厚度控制在300μm，在1200℃下焙燒2小時，然后在內壁上噴涂YSZ電解質層材料，厚度控制在10μm，然后在1500℃下焙燒10小時以確保陽極層和電解質內壁有良好的接觸，接著采用噴涂的方法在固體電解質層的外壁噴涂LSM陰極材料，然后在1200℃下焙燒10小時以確保陰極和電解質片有良好的接觸，陰極的厚度控制在5μm。
催化層的涂敷首先將0.4克RuCl3溶解到乙醇當中，然后放入適量的20克(其中Ru的質量約為SDC和Ru的總質量的1％，約為0.2g)SDC粉體研磨1小時，在200度下烘干后，將其在600度下焙燒3小時。然后將10克粉體放在100mL乙醇中超聲分散2小時，最后把分散好的漿料超聲噴涂到電解陽極層上去。控制催化層厚度為10μm，孔隙率為20％。
實施例2把實例1所制得的1個ScSZ為電解質材料火焰燃料電池煤球爐爐膛和不銹鋼的外部保護裝置材料，金線和銀線分別為陽極導線和陰極導線，制得可以發電的煤球爐，其結構如圖1，圖2所示。此煤球爐所發的電功率密度高，其能量密度達187mW/cm-2，如圖4所示。
實施例3氧化鈰基煤球爐爐膛的制備首先在制備煤球爐爐膛陽極層，材料由NiO和SDC構成，兩者的質量比為1∶1，先將NiO和SDC粉體混合，然后加入聚乙烯醇縮丁荃(PVB)和乙二醇球磨混合，其中PVB質量含量在10％(以固體電解質和氧化鎳的質量之和為基準)，乙二醇質量含量在1％(以固體電解質和氧化鎳的質量之和為基準)，通過擠壓成圓筒型，陽極的厚度控制在700μm，在1500℃下焙燒10小時，然后在內壁上噴涂SDC電解質層材料，厚度控制在100μm，然后在1200℃下焙燒2小時以確保陽極層和電解質內壁有良好的接觸，然后采用噴涂的方法在固體電解質層的外壁噴涂BSCF陰極材料，然后在1500℃下焙燒10小時以確保陰極和電解質片有良好的接觸，陰極的厚度控制在100μm。
催化層的涂敷首先將0.8g RuCl3溶解到乙醇當中，然后放入20g SDC粉體研磨2小時，在200度下烘干后，將其在500度下焙燒4小時。然后將10克粉體放在90mL乙醇中超聲分散5小時，最后把分散好的漿料超聲噴涂到電解陽極層上去。催化層厚度為50μm。孔隙率約為60％，其中Ru的質量約為SDC和Ru的總質量的15％。
實例4SScZ為電解質材料煤球爐爐膛的制備首先在制備煤球爐爐膛陽極層，材料由NiO和SScZ構成，兩者的質量比為1∶4，先將NiO和YSZ粉體混合，然后加入聚乙烯醇縮丁荃(PVB)和乙二醇球磨混合，其中PVB質量含量在1％(以固體電解質和氧化鎳的質量之和為基準)，乙二醇質量含量在10％(以固體電解質和氧化鎳的質量之和為基準)，通過擠壓成圓筒型，陽極的厚度控制在300μm，在1200℃下焙燒2小時，然后在內壁上噴涂SScZ電解質層材料，厚度控制在10μm，然后在1500℃下焙燒10小時以確保陽極層和電解質內壁有良好的接觸，然后采用噴涂的方法在固體電解質層的外壁噴涂LSCF陰極材料，然后在1200℃下焙燒10小時以確保陰極和電解質片有良好的接觸，陰極的厚度控制在5μm。
催化層的涂敷首先將0.4g RuCl3溶解到乙醇當中，然后放入20g SDC粉體研磨1小時，在200度下烘干后，將其在600度下焙燒3小時。然后將10克粉體放在100mL乙醇中超聲分散2小時，最后把分散好的漿料超聲噴涂到電解陽極層上去。催化層厚度為10μm，孔隙率約為20％，其中Ru的質量約為SDC和Ru的總質量的1％。
實例5多個爐膛的組裝把50個爐膛采用疊加形式組裝，爐膛之間陽極與陽極用金線相連以集流，陰極與陰極用銀線連接集流，外部保護裝置材料為不銹鋼。其局部示意圖見圖3。
權利要求
1.一種火焰燃料電池，其特征在于依次由陽極催化層(1)、陽極層(2)、固體電解質層(3)和陰極層(4)組成，其中陽極催化層厚度為10-50μm，陽極層厚度為300-700μm，固體電解質層厚度為10-100μm，陰極層厚度為5-100μm。
2.根據權利要求1所述的電池，其特征在于所述的固體電解質層(3)為致密或是多孔的；陽極催化層(1)、陽極層(2)和陰極層(4)是多孔的。
3.根據權利要求1所述的電池，其特征在于所述陽極催化層的孔隙率為20％～60％。
4.根據權利要求1所述的電池，其特征在于固體電解質層(3)為Y2O3摻雜的ZrO2、Sc2O3摻雜的ZrO2或Ce0.8Sm0.2O1.9(SDC)材料，其中Y2O3摻雜量占Y2O3和ZrO2總摩爾量的8％，即YSZ，Sc2O3摻雜量占Sc2O3和ZrO2總摩爾量的9mol％，即SScZ；陽極催化層材料為SDC和Ru的混合物，其中Ru質量含量為陽極催化層材料總量的1％～15％；陽極層材料為SDC和NiO、YSZ和NiO或SScZ和NiO構成，其NiO質量含量為陽極層材料總量的20～50％；陰極層材料為La0.8Sr0.2MnO3-δ、La0.8Sr0.2Co0.2Fe0.8O3-δ或Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ。
5.一種如權利要求1所述火焰燃料電池的制備方法，其步驟為A.首先制備陽極漿料，把占固體電解質材料和氧化鎳總量的20％～50％氧化鎳和固體電解質材料預混合后，加入聚乙烯醇縮丁荃(PVB)和乙二醇球磨混合，通過擠壓成環型然，在1200～1500℃下煅燒2～10小時，制得厚度為300-700μm陽極層；B.通過超聲噴涂把電解質材料的粉料噴到陽極外表面，控制厚度為10-100μm，在1200～1500℃下煅燒2～10小時；C.通過超聲噴涂把陰極材料的粉料噴到電解質表面，控制厚度為5-100μm，然后800～1200℃煅燒2～10小時；D.將陽極催化層采用超聲噴涂到陽極表面，控制厚度為10-50μm，得火焰燃料電池。
6.根據權利要求5所述的方法，其特征在于聚乙烯醇縮丁荃和乙二醇的加入量以固體電解質和氧化鎳的質量之和為基準，分別占1％～10％。
7.一種可以發電的煤球爐，包括一個外圍保護裝置和1～50個含上述火焰燃料電池爐膛，其中所述的爐膛為管狀。
8.根據權利要求5所述的煤球爐，其外圍保護裝置材質為不銹鋼。
9.根據權利要求5所述的煤球爐，其中(6)和(7)分別是陽極導線和陰極導線，其材料可以是銀和金。
全文摘要
本發明涉及一種火焰燃料電池及其制備方法，以及含有上述火焰燃料電池新型煤球爐。火焰燃料電池依次由陽極催化層、陽極層、固體電解質層和陰極層組成。煤球爐主要包括外圍保護裝置和火焰燃料電池的煤球爐膛。本發明的火焰燃料電池具有陽極催化層，起到抗積碳的作用，能夠防止電池因積炭而被撐劣，同時，催化層能夠對燃料進行內重整，提高燃料利用率；使用固體氧化物燃料電池作為爐膛，可以既發電也可供熱使煤球爐能夠穩定使用；此煤球爐所發的電功率密度和能量密度高。
文檔編號H01M4/86GK101087033SQ200710024608
公開日2007年12月12日 申請日期2007年6月25日 優先權日2007年6月25日
發明者邵宗平, 王康, 冉然 申請人:南京工業大學