专利名称：一种提高直接碳燃料电池性能的导体催化剂及方法
技术领域：
本发明属于清洁能源技术领域，具体涉及一种提高固体氧化物直接碳燃料电池性能的导体催化剂及方法。
背景技术：
我国是世界上最大的煤炭生产和消费国，煤炭消耗量占到一次能源总量的70%以上，其中超过50%的煤炭用于火力发电。同时，煤炭在我国电力结构中也占有主要地位。以煤为主的能源结构在短时间内不会有很大改变。但目前我国燃煤发电效率低，能源浪费和环境污染状况严重；同时，作为世界上(X)2排放第一大国，我们面临着巨大的(X)2减排压力。 因此探索高效的洁净煤发电技术是能源工业发展的必然方向。直接碳燃料电池(Direct Carbon Fuel Cell，DCFC)采用固体碳作为燃料，近年来受到国内外研究者的广泛重视，并被列为未来十大值得关注技术之一。直接碳燃料电池具有非常独特的优势1.电池效率更高。由于直接碳燃料电池总反应(C+A = CO2)熵变很小(2. 5J. Γ1. πιοΓ1)，在800°C左右时，理论效率达到100%，燃料利用率可达100%。2.污染排放少。没有直接的燃烧过程，S0x、N0x等污染物的排放量可以大大减少。3.直接碳燃料电池可以将煤中的C直接转化为CO2,碳燃料不和空气直接接触混合，有利于CO2的富集与减排。4.从世界范围来看，煤炭资源储量丰富，价格便宜，是当今世界的能源支柱之一， 而固体碳燃料有望通过对储量丰富的煤炭、生物质等进行简单加工处理而得到，燃料来源广泛，易于获取。5. DCFC所使用的固体碳燃料体积小、热值高，运输与储藏方便。6.作为高温燃料电池，DCFC适用于大规模发电以及中小型分布式发电系统。如果直接碳燃料电池能够实现直接以煤为燃料的商业化应用，将革命性地改变传统能源利用方式，实现传统化石能源利用和燃料电池技术的完美结合，可有力缓解我国油气资源紧张现状，提高能源利用效率，减轻(X)2减排压力。因此，直接碳燃料电池发电技术的研究对能源技术进步和国家能源安全具有重要意义。近年来，随着材料科学和燃料电池技术的发展，已经开发出多种电解质材料的直接碳燃料电池，常见的直接碳燃料电池电解质包括熔融氢氧化物、熔融碳酸盐和固体氧化物电解质。相比较而言，固体氧化物电解质直接碳燃料电池(Solid Oxide Direct Carbon Fuel Cell, S0-DCFC)对碳燃料的纯度要求最低，最有希望实现直接以煤为燃料，而且电池阳极可以借鉴已有的燃烧设备(如流化床等)，解决固体燃料的给料问题，改善内部传热传质，提高电池性能，易于扩大电池规模，而且反应过程中不存在液态电解质的密封及腐蚀问题。但是SO-DCFC目前在电流密度上不占优势，反应速度较慢。主要原因是(1)燃料与阳极接触面仅限于二维平面内，碳的直接电化学反应界面有限；( 煤气化反应速率限制了气体电化学反应的进行。因此改善SO-DCFC以上两方面的限制因素成为制约其发展的关键。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提高固体氧化物直接碳燃料电池性能的添加剂。一种提高固体氧化物直接碳燃料电池性能的导体催化剂，所述导体催化剂为离子导体、电子导体和碳气化催化剂混合后通过机械粉碎法或固相合成法制备而成；其中，离子导体，电子导体和碳气化催化剂分别占导体催化剂总质量的10-93%，5-93%，1-93%。所述离子导体为CO〗-离子导体或02_离子导体。所述CO32-离子导体为Li2C03、Na2C03或K2CO3 ；02_离子导体为氧化钇稳定的氧化锆或氧化钆掺杂氧化铈。所述电子导体选自·、 ^、Αβ、Ι、Ν 0、Α&0中的一种或一种以上。所述碳气化催化剂为锂、钠、钾、铍、镁、钙、锶、钪、钛、钒、锰、铁、镍、钼或银的碳酸
盐、碳酸氢盐、硫酸盐或硝酸盐中的至少一种物质。一种提高固体氧化物直接碳燃料电池性能的方法，向固体碳中添加如权利要求1 所述的导体催化剂，将添加导体催化剂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，工作温度范围为 600 IOOO0Co添加的导体催化剂占固体碳质量的1_50%。所述固体碳选自炭黑、石墨、焦炭、生物质、煤、石油焦或有机废料中的一种或一种以上。所述阳极载气为Ν2、Ar、He、CO2或H2O。本发明的有益效果应用本发明的导体催化剂进行直接碳燃料电池发电，在电池阳极中形成了一种导体网络增大了碳的直接电化学反应，并且通过碳气化催化剂增强了碳气化的反应速录，提高了碳气化反应过程的速率。通过这两种方式能够在给定工作温度和工作电压下提高电池的功率密度。
具体实施例方式下面以具体实施例对本发明做进一步说明。实施例1以Li2C03、MgSO4, W按照质量分数分别为30150120%机械粉碎法制成导体催化剂，以炭黑作为固体碳燃料，向燃料中加入20%的导体催化剂。将添加导体催化剂的炭黑作为燃料置于直接碳燃料电池阳极腔体内，以50ml · rniiT1流量的CO2作为阳极载气，以 100ml WirT1流量的仏作为阴极氧化剂，电池工作温度800°C。此时，SO-DCFC在0. 7V恒压放电工况下平均功率密度为1274W · πΓ2。实施例2以Na2C03、K2CO3> Fe按照质量分数分别为30%、50%、20%机械粉碎法制成导体催化剂，以焦炭作为固体碳燃料，向燃料中加入20%的导体催化剂。将添加导体催化剂的焦炭作为燃料置于直接碳燃料电池阳极腔体内，以50ml · rniiT1流量的He作为阳极载气，以 100ml WirT1流量的仏作为阴极氧化剂，电池工作温度600°C。此时，SO-DCFC在0. 7V恒压放电工况下平均功率密度为1204W · πΓ2。
实施例3以K2C03、MgS04、W按照质量分数分别为30%、50%、20%机械粉碎法制成导体催化剂，以石油焦作为固体碳燃料，向燃料中加入20%的导体催化剂。将添加导体催化剂的石油焦作为燃料置于直接碳燃料电池阳极腔体内，以50ml ^irT1流量的N2作为阳极载气，以 IOOml · miiT1流量的O2作为阴极氧化剂，电池工作温度1000°C。此时，SO-DCFC在0. 7V恒压放电工况下平均功率密度为1121W · πΓ2。实施例4以氧化钇稳定的氧化锆、NiCKCa(NO3)2按照质量分数分别为40%、30%、30%固相合成法制成导体催化剂，以炭黑作为固体碳燃料，向燃料中加入15%的导体催化剂。将添加导体催化剂的炭黑作为燃料置于直接碳燃料电池阳极腔体内，以50ml · rniiT1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800°C。此时， SO-DCFC在0. 7V恒压放电工况下平均功率密度为1104W · πΓ2。实施例5以氧化钆掺杂氧化铈、Ag20、Mg (NO3) 2按照质量分数分别为40 %、30 %、30 %固相合成法制成导体催化剂，以有机废料作为固体碳燃料，向燃料中加入15%的导体催化剂。将添加导体催化剂的有机废料作为燃料置于直接碳燃料电池阳极腔体内，以50ml ^irT1流量的H2O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900°C。此时，SO-DCFC在0. 7V恒压放电工况下平均功率密度为1004W · πΓ2。实施例6以氧化钇稳定的氧化锆、A&0、Mn (NO3) 2按照质量分数分别为40%、30%、30%固相合成法制成导体催化剂，以石墨作为固体碳燃料，向燃料中加入15%的导体催化剂。将添加导体催化剂的石墨作为燃料置于直接碳燃料电池阳极腔体内，以50ml · rniiT1流量的H2O 作为阳极载气，以IOOml · HiirT1流量的仏作为阴极氧化剂，电池工作温度1000°C。此时， SO-DCFC在0. 7V恒压放电工况下平均功率密度为1201W · m_2。
权利要求
1.一种提高固体氧化物直接碳燃料电池性能的导体催化剂，其特征在于，所述导体催化剂为离子导体、电子导体和碳气化催化剂混合后通过机械粉碎法或固相合成法制备而成；其中，离子导体，电子导体和碳气化催化剂分别占导体催化剂总质量的10-93%， 5-93%，1-93%。
2.根据权利要求1所述一种提高固体氧化物直接碳燃料电池性能的导体催化剂，其特征在于，所述离子导体为CO32-离子导体或02_离子导体。
3.根据权利要求2所述一种提高固体氧化物直接碳燃料电池性能的导体催化剂，其特征在于，所述CO32-离子导体为Li2C03、Na2CO3或K2CO3 ；02_离子导体为氧化钇稳定的氧化锆或氧化钆掺杂氧化铈。
4.根据权利要求1所述一种提高固体氧化物直接碳燃料电池性能的导体催化剂，其特征在于，所述电子导体选自Ni、i^e、Ag、W、Ni0、A&0中的一种或一种以上。
5.根据权利要求1所述一种提高固体氧化物直接碳燃料电池性能的导体催化剂，其特征在于，所述碳气化催化剂为锂、钠、钾、铍、镁、钙、锶、钪、钛、钒、锰、铁、镍、钼或银的碳酸盐、碳酸氢盐、硫酸盐或硝酸盐中的至少一种物质。
6.一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，向固体碳中添加如权利要求1所述的导体催化剂，将添加导体催化剂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，工作温度范围为600 1000°C。
7.根据权利6所述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，添加的导体催化剂占固体碳质量的1_50%。
8.根据权利6所述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，所述固体碳选自炭黑、石墨、焦炭、生物质、煤、石油焦或有机废料中的一种或一种以上。
9.根据权利6所述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，所述阳极载气为N2、Ar、He、CO2或H2O。
全文摘要
本发明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导体催化剂及方法。该导体催化剂为离子导体、电子导体和碳气化催化剂混合后通过机械粉碎法或固相合成法制备而成。应用本发明的导体催化剂进行直接碳燃料电池发电，在电池阳极中形成了一种导体网络，增大了碳的直接电化学反应，并且通过碳气化催化剂增强了碳气化的反应速率，提高了碳气化反应速率。
文档编号B01J27/25GK102306809SQ20111019465
公开日2012年1月4日 申请日期2011年7月12日 优先权日2011年7月12日
发明者史翊翔, 王洪建, 蔡宁生 申请人:清华大学