采用含碳垃圾作为sofc燃料的发电方法及装置制造方法

文档序号:7264931阅读:320来源:国知局
采用含碳垃圾作为sofc燃料的发电方法及装置制造方法
【专利摘要】采用含碳垃圾作为SOFC燃料的发电方法及装置,它涉及一种采用含碳垃圾作为燃料的发电方法及装置。本发明是为了解决现有SOFC中作为燃料的氢气价格昂贵的技术问题。发电方法如下:将含碳垃圾加入燃料管4中,含碳垃圾与氧气反应生成二氧化碳,二氧化碳再与含碳垃圾反应生成一氧化碳,一氧化碳与电解质层2传递过来的氧离子反应生成二氧化碳并失去电子,一氧化碳失去的电子通过导线由阳极3流入阴极1,形成电流回路。本发明装置包括阴极1、电解质层2、阳极3、燃料管4和密封胶塞5。本发明实现了SOFC的无成本运行。本发明属于利用含碳垃圾发电领域。
【专利说明】采用含碳垃圾作为SOFC燃料的发电方法及装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种采用含碳垃圾作为燃料的发电方法及装置。
【背景技术】
[0002]固体氧化物燃料电池(S0FC),是一种能源转换装置,它能够把燃料如氢气中的化学能直接转化为电能,不受卡诺循环的限制,因此具有较高能源转换率。通常SOFC的能源转换率可达到60%,如果采用热电联供方式,能源转换率可达到80%,是普通火力发电的2?3倍。除此之外,SOFC还是一个洁净能源系统。SOFC的传统燃料是氢气,系统的最终反应产物是水,可以供人类直接饮用。进入21世纪,当人类面临严峻的能源和环境问题时,SOFC的优势更加凸显,它的大规模开发利用也备受关注。但是,迄今为止SOFC仍旧没有实现商业化。其中一个主要原因就是运行成本较高,输出电力与传统火电相比没有价格优势。SOFC的运行成本,绝大部分来源于燃料,因为SOFC各个部件都是全陶瓷结构,在运行过程中没有任何消耗和损失,理论上讲,如果保证燃料持续供给,SOFC就可以源源不断地提供电力输出。作为燃料氢气不仅价格昂贵,并且产量低,不易运输,不易储存,因此,寻找低成本替代燃料成为当下SOFC的研发思路。

【发明内容】

[0003]本发明的目的是为了解决现有SOFC中作为燃料的氢气价格昂贵的技术问题,提供了一种采用含碳垃圾作为SOFC燃料的发电方法及装置。
[0004]采用含碳垃圾作为SOFC燃料的发电方法如下:
[0005]将含碳垃圾加入采用含碳垃圾作为SOFC燃料的发电装置的燃料管4中,燃料管4中的含碳垃圾首先与反应腔6内的残留的氧气反应生成二氧化碳,二氧化碳再与燃料管4中的含碳垃圾反应生成一氧化碳,生成的一氧化碳吸附在固体氧化物燃料电池阳极3的表面,一氧化碳与电解质层2传递的氧离子反应生成二氧化碳同时失去电子,一氧化碳失去的电子通过导线由阳极3流入阴极1,形成电流给用电设备7供电,其中在发电的过程中持续从燃料管4的一端向其内部加入含碳垃圾。
[0006]所述的含碳垃圾是树叶、树枝、树皮、树根、锯末、秸杆、桔梗、煤炭、煤灰、原煤或焦炭。
[0007]其电池的运行原理依靠如下三个反应:
[0008]C (含碳垃圾中固态碳)+O2 (反应腔6内残留氧气)一CO2 (气态)
[0009]
C (含碳垃圾中固态碳)+ CO2 (气态)H 2CO (气态)
[0010]CO (气态)+02_ (电解质与电极界面)一CO2 (气态)+2e_
[0011]所述采用含碳垃圾作为SOFC燃料的发电装置第一种技术方案包括阴极1、电解质层2、阳极3、燃料管4和密封胶塞5,其特征在于所述阳极3为底端封闭的管状,密封胶塞5插在阳极3的开口端将阳极3封闭,所述的燃料管4位于密封胶塞5与阳极3所形成的反应腔6的内部,燃料管4的两端穿出密封胶塞5,所述的燃料管4的管体上开有过气孔;阳极的外表面上蒙覆一层电解质层2,电解质层2的外表面蒙覆阴极I。
[0012]所述采用含碳垃圾作为SOFC燃料的发电装置第二种技术方案包括阴极1、电解质层2、阳极3、燃料管4、密封胶塞5和陶瓷管8,其特征在于片状的阳极3的一个表面固定在陶瓷管8的一端并将该端部封闭,密封胶塞5插在陶瓷管8的开口端将陶瓷管8封闭,所述的燃料管4位于密封胶塞5与陶瓷管8所形成的反应腔6的内部,燃料管4的两端穿出密封胶塞5,所述的燃料管4的管体上开有过气孔;阳极3的另一表面上蒙覆一层电解质层2,电解质层2的一个表面与阳极3相连,电解质层2的另一表面蒙覆阴极I。
[0013]所述燃料管4的形状为U型。
[0014]所述燃料管4U型的底部盘曲成螺旋状。
[0015]本发明实现了 SOFC的无成本运行,即SOFC的工作所需燃料来源于我们日常生活中的含碳垃圾,如树叶,树枝,木屑,麦梗等等。
【专利附图】

【附图说明】
[0016]图1是采用含碳垃圾作为SOFC燃料的发电装置的结构图;
[0017]图2是采用含碳垃圾作为SOFC燃料的发电装置的结构图;
[0018]图3是U型的底部盘曲成螺旋状的燃料管4的结构图;
[0019]图4是实验一中将柳树叶直接作为燃料的SOFC在700、750和800°C下的输出性能,图中- _表示柳树叶作为燃料SOFC在700°C下的1-V曲线,-□-表示柳叶作为燃料SOFC在700°C下的1-P曲线,-.-表示柳树叶作为燃料SOFC在750°C下的1-V曲线,-〇-表示柳叶作为燃料 SOFC在750°C下的1-P曲线,-★-表示柳树叶作为燃料SOFC在800°C下的1-V曲线,-☆-表示柳叶作为燃料SOFC在800°C下的1-P曲线。
【具体实施方式】
[0020]本发明技术方案不局限于以下所列举【具体实施方式】,还包括各【具体实施方式】间的任意组合。
[0021]【具体实施方式】一:本实施方式采用含碳垃圾作为SOFC燃料的发电方法如下:
[0022]将含碳垃圾加入采用含碳垃圾作为SOFC燃料的发电装置的燃料管4中,燃料管4中的含碳垃圾首先与反应腔6内的残留的氧气反应生成二氧化碳,二氧化碳再与燃料管4中的含碳垃圾反应生成一氧化碳,生成的一氧化碳吸附在固体氧化物燃料电池阳极3的表面,一氧化碳与电解质层2传递的氧离子反应生成二氧化碳同时失去电子,一氧化碳失去的电子通过导线由阳极3流入阴极1,形成电流给用电设备7供电,其中在发电的过程中持续从燃料管4的一端向其内部加入含碳垃圾。
[0023]【具体实施方式】二:本实施方式与【具体实施方式】一不同的是所述的含碳垃圾是树叶、树枝、树皮、树根、锯末、秸杆、桔梗、煤炭、煤灰、原煤或焦炭。其它与【具体实施方式】一相同。
[0024]【具体实施方式】三:结合图2,【具体实施方式】一所述采用含碳垃圾作为SOFC燃料的发电装置包括阴极1、电解质层2、阳极3、燃料管4和密封胶塞5,其特征在于所述阳极3为底端封闭的管状,密封胶塞5插在阳极3的开口端将阳极3封闭,所述的燃料管4位于密封胶塞5与阳极3所形成的反应腔6的内部,燃料管4的两端穿出密封胶塞5,所述的燃料管4的管体上开有过气孔;阳极的外表面上蒙覆一层电解质层2,电解质层2的外表面蒙覆阴极I。
[0025]【具体实施方式】四:本实施方式与【具体实施方式】三不同的是所述燃料管4的形状为U型。其它与【具体实施方式】三相同。
[0026]【具体实施方式】五:本实施方式与【具体实施方式】三或四不同的是所述燃料管4U型的底部盘曲成螺旋状。其它与【具体实施方式】三或四相同。
[0027]【具体实施方式】六:结合图1,【具体实施方式】一所述采用含碳垃圾作为SOFC燃料的发电装置包括阴极1、电解质层2、阳极3、燃料管4、密封胶塞5和陶瓷管8,其特征在于片状的阳极3的一个表面固定在陶瓷管8的一端并将该端部封闭,密封胶塞5插在陶瓷管8的开口端将陶瓷管8封闭,所述的燃料管4位于密封胶塞5与陶瓷管8所形成的反应腔6的内部,燃料管4的两端穿出密封胶塞5,所述的燃料管4的管体上开有过气孔;阳极3的另一表面上蒙覆一层电解质层2,电解质层2的一个表面与阳极3相连,电解质层2的另一表面蒙覆阴极I。
[0028]【具体实施方式】七:本实施方式与【具体实施方式】六不同的是所述燃料管4的形状为U型。其它与【具体实施方式】六相同。
[0029]【具体实施方式】八:本实施方式与【具体实施方式】六或七不同的是所述燃料管4U型的底部盘曲成螺旋状。其它与【具体实施方式】六或七相同。
[0030]采用下述实验验证本发明效果:
[0031]实验一:结合图1,采用含碳垃圾作为SOFC燃料的发电方法如下:
[0032]一、配制混合硝酸盐水溶液:向硝酸镧、硝酸锶、硝酸铬、硝酸锰和硝酸镍的混合物中加入去离子水,以400r/min的搅拌速率搅拌15min,加入尿素,尿素与金属离子摩尔比为 2:1,以 400r/min 的搅拌速率搅拌 IOmin,得到 La0.75Sr0.25Cr0.5Mn0.5 (NO3) x 和Ni (NO3)2的前驱体溶液;其中,硝酸镧、硝酸锶、硝酸铬、硝酸锰与硝酸镍的物质的量的比为
0.75:0.25:0.5:0.5:0.2,La0.75Sr0.25Cr0.5Mn0.5(NO3)x 和 Ni (NO3)2 的前驱体溶液中 Mn 离子的摩尔浓度为0.25mol/L ;
[0033]二、制备多孔阳极支撑体:将电解质YSZ与有机造孔剂木薯粉按照5:3的质量比混合后在玛瑙研钵中研磨5小时,得到均匀粉体,将0.25g粉体均匀撒入Φ13模具中,在300MPa压力下成型,再在1000°C预烧2小时,得到坯体;
[0034]三、制备多孔阳极及电解质薄膜:将电解质YSZ粉在玛瑙研钵中研磨2小时后加入粘结剂(松油醇和乙基纤维素组成,松油醇和乙基纤维素的质量比为7: 3),电解质YSZ粉与粘结剂(松油醇和乙基纤维素组成,松油醇和乙基纤维素的质量比为7: 3)质量比为
7: 3,再混合研磨3小时,形成电解质浆料,将电解质浆料利用旋涂工艺涂覆到步骤二的坯体上,在1400°C煅烧4小时,得到多孔阳极支撑体和致密YSZ电解质层2 ;
[0035]四、浸溃:将步骤一中配制的Laa75Sra25Crtl5Mna5(NO3)和P Ni (NO3)2的前驱体溶液滴注到多孔支撑体表面,利用孔隙中的毛细力将溶液引入到多孔基底中,在300°C烘烤30分钟后,形成金属氧化物,重复上述过程30次后,在1200°C烧结2小时,得到阳极3 ;
[0036]五、制备电池阴极:按照化学式Laa8Sra2O3中的计量比将所需金属硝酸盐称量后溶于去离子水中,配成浓度为lmol/L的硝酸盐溶液,甘氨酸和柠檬酸(摩尔比为1:1)按照2倍于金属离子(摩尔比)的量加入硝酸盐溶液中,在室温下搅拌15分钟,然后在80°C水浴锅中持续搅拌直至水蒸干形成凝胶,将凝胶在200°C烘箱中烘干膨胀后,在1000°C烧结2小时成相,成相后的粉体在玛瑙研钵中研磨2小时后加入粘结剂(松油醇和乙基纤维素组成,松油醇和乙基纤维素的质量比为7: 3),持续研磨2小时形成阴极浆料,最后将其涂覆在阳极支撑体光滑电解质薄膜YSZ表面,在1100°C烧结2小时,形成多孔阴极I ;
[0037]六、电池测试:利用银膏将片状的阳极3固定在陶瓷管8的一端并将该端部封闭,在200°C烘干30分钟,将收集的柳树叶在80°C焙干10分钟后搓碎,然后将碎的树叶加入燃料管4中,密封胶塞5插在陶瓷管8的开口端将陶瓷管8封闭,所述的燃料管4位于密封胶塞5与陶瓷管8所形成的反应腔6的内部,燃料管4的两端穿出密封胶塞5,所述的燃料管4的管体上开有过气孔;阳极的外表面上蒙覆一层电解质层2,电解质层2的外表面蒙覆阴极I ;电池测试采用四电极法,阳极3和阴极I分别用银膏粘连四条银丝,作为导线,并将引入的四根银丝与仪器相连,将电池端放入电炉中,电炉升温,对电池进行检测。测试仪器采用SI 1287电化学工作界面和SI 1260阻抗分析仪。
[0038]从图4可以看出以柳树叶作为燃料的SOFC在700、750和800°C下的输出性能,在800°C电池的输出最大功率密度已经达到350mW cnT2。
【权利要求】
1.采用含碳垃圾作为SOFC燃料的发电方法,其特征在于采用含碳垃圾作为SOFC燃料的发电方法如下: 将含碳垃圾加入采用含碳垃圾作为SOFC燃料的发电装置的燃料管4中,燃料管4中的含碳垃圾首先与反应腔6内的残留的氧气反应生成二氧化碳,二氧化碳再与燃料管4中的含碳垃圾反应生成一氧化碳,生成的一氧化碳吸附在固体氧化物燃料电池阳极3的表面,一氧化碳与电解质层2传递的氧离子反应生成二氧化碳同时失去电子,一氧化碳失去的电子通过导线由阳极3流入阴极1,形成电流给用电设备7供电,其中在发电的过程中持续从燃料管4的一端向其内部加入含碳垃圾。
2.根据权利要求1所述采用含碳垃圾作为SOFC燃料的发电方法,其特征在于所述的含碳垃圾是树叶、树枝、树皮、树根、锯末、秸杆、桔梗、煤炭、煤灰、原煤或焦炭。
3.权利要求1所述采用含碳垃圾作为SOFC燃料的发电装置包括阴极1、电解质层2、阳极3、燃料管4和密封胶塞5,其特征在于所述阳极3为底端封闭的管状,密封胶塞5插在阳极3的开口端将阳极3封闭,所述的燃料管4位于密封胶塞5与阳极3所形成的反应腔6的内部,燃料管4的两端穿出密封胶塞5,所述的燃料管4的管体上开有过气孔;阳极的外表面上蒙覆一层电解质层2,电解质层2的外表面蒙覆阴极I。
4.根据权利要求3所述采用含碳垃圾作为SOFC燃料的发电装置,其特征在于所述燃料管4的形状为U型。
5.根据权利要求4所述采用含碳垃圾作为SOFC燃料的发电装置,其特征在于所述燃料管4U型的底部盘曲成螺旋状。
6.权利要求1所述采用含碳垃圾作为SOFC燃料的发电装置包括阴极1、电解质层2、阳极3、燃料管4、密封胶塞5和陶瓷管8,其特征在于片状的阳极3的一个表面固定在陶瓷管8的一端并将该端部封闭,密封胶塞5插在陶瓷管8的开口端将陶瓷管8封闭,所述的燃料管4位于密封胶塞5与陶瓷管8所形成的反应腔6的内部,燃料管4的两端穿出密封胶塞5,所述的燃料管4的管体上开有过气孔;阳极3的另一表面上蒙覆一层电解质层2,电解质层2的一个表面与阳极3相连,电解质层2的另一表面蒙覆阴极I。
7.根据权利要求6所述采用含碳垃圾作为SOFC燃料的发电装置,其特征在于所述燃料管4的形状为U型。
8.根据权利要求7所述采用含碳垃圾作为SOFC燃料的发电装置,其特征在于所述燃料管4U型的底部盘曲成螺旋状。
【文档编号】H01M8/12GK103441294SQ201310416634
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2013年9月13日 优先权日:2013年9月13日
【发明者】朱星宝, 吕喆, 袁宇, 王志红, 魏波, 黄喜强, 张耀辉 申请人:哈尔滨工业大学
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