一种锑阳极直接碳固体氧化物燃料电池电堆系统及制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于清洁能源的燃料电池领域，更具体地，涉及一种液态循环锑阳极管式直接碳固体氧化物燃料电池电堆及其制备方法。
【背景技术】
[0002]当今社会，能源危机已经成为世界性议题。目前广泛使用的化石能源是不可再生的，而社会的快速发展导致大量的能源消耗，使此类传统能源日趋匮乏。同时化石能源的燃烧导致的环境污染给人类生活带来了严重危害。人类迫切的需要更先进、效率更高、来源更广泛且使用更方便的能源技术。在这样的背景下，开发可靠、环保的能源来源，减轻传统化石能源的压力，并采用更清洁的能源技术已经成为全世界的共识。
[0003]固体氧化物燃料电池(简称:S0FC)作为一种新型的能量转化装置，可以应对目前所遇到的能源匮乏难题，因而得到了世界很多国家的关注，越来越多的科技工作者投入了大量的时间和精力从事相关研究。SOFC是利用化学反应将化石燃料中的化学能直接转化为电能。在能量转化过程中，没有燃烧过程，也没有机械过程，因此SOFC具有噪音低，能量转化率高的特点。同时由于发生反应的产物为水，没有硫化物、氮化物等气体排出，SOFC具有高效、清洁的特点，是目前公认的应对能源危机的有效发电装置。
[0004]目前而言，固体氧化物燃料电池的燃料主要是氢气和天然气，但是氢气的制备成本较高，储存安全成本过高；而另一方面，天然气需要额外的重整设备来辅助，避免阳极一侧的积碳发生，阳极一侧积碳或者硫磷毒化均会使得电池阳极(N1/YSZ)发生不可逆的结构性破坏，最后导致电池电堆发生失效。就燃料而言，自然界有许多的高含碳的固态燃料，比如煤碳、石油和生物质燃料。这些燃料现在大多以燃烧的方式给人们生活带来电力和热量，但是总体而言，它们的燃料利用率较低，而且释放很多的温室气体。更为关键的是，化石燃料的储存是有限的。所以，寻求一种可以直接利用固态碳燃料来高效率发电的技术是人类社会的迫切需求。
[0005]直接碳固体氧化物燃料电池是一种直接使用固态碳燃料的清洁能源技术。氧气在电池阴极吸附解离成氧离子并传输通过电解质层到达阳极与碳原子发生电化学反应，产生电能。但是氧离子只存在于电解质阳极界面几十个微米附近，所以显而易见地，碳原子和氧离子没有很好的物理化学接触，导致电池功率较低。许多研究者采用了很多方法去改进电池的电化学反应，其中采用二氧化碳或者水蒸气汽化固态碳燃料产生一氧化碳和氢气的方法占据了主流。其次，利用共晶熔融碳酸盐作为氧离子载体增大固态碳与碳酸根离子的接触面积从而实现较高的电化学速率。
[0006]近来，在工作温度下呈现液体状态的金属或者合金阳极直接碳固体氧化物燃料电池收到了较大的关注。低熔点金属如铋、铅、铟、锡锑、银、及其合金都被用来作为阳极，研究者使用较薄的电解质作为支撑体，取得了较高的电池功率。
[0007]但是，目前大多数液态金属或者合金阳极研究者所采用的平板式结构电池面临着许多的问题:(1)平板式电池集成电堆之后，没有腔体空间加载固态燃料；(2)液态相阳极的存在使得平板式电池根本无法组装、密封，无法持续加载燃料；(3)传统的平板式结构的锑阳极电池存在处理燃料灰烬、残渣复杂问题，并且其锑阳极易被毒化污染从而会影响电池性能甚至造成失效。
【发明内容】
[0008]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种锑阳极直接碳固体氧化物燃料电池电堆系统及制备方法，其目的在于，将管状锑阳极单电池封装集合成电堆装置，并依次设置氧化锑池、燃料池、锑纯化装置，相应能实现燃料电池电堆系统直接加载固态碳燃料，且液态锑经过纯化不会发生被毒化污染的问题，由此解决现有直接碳固体氧化物燃料电池不能持续加载燃料且存在阳极易被毒化污染的技术问题。
[0009]为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种锑阳极直接碳固体氧化物燃料电池电堆系统，其包括电池电堆、氧化锑收集池、燃料池、燃料加载装置，其中，
[0010]所述电池电堆包括液态锑阳极，该电池电堆顶部设置有电池电堆出口，以供电池电堆反应中液态锑生成的氧化锑流出，其底部设置有供液态锑流入的电池电堆入口 ；
[0011]所述氧化锑收集池顶部设置与所述电池电堆出口相连通的氧化锑收集池入口，并其底部设置有供氧化锑流出的氧化锑收集池出口；
[0012]所述燃料池顶部设置有燃料加载装置，该顶部同时还设置有与所述氧化锑收集池出口相连通的燃料池入口，所述燃料池底部设置有供被燃料还原获得的锑流出的燃料池出口，该出口连通所述电池电堆，以将氧化锑被还原后获得的锑进行再循环利用。
[0013]进一步的，还包括锑纯化装置，所述锑纯化装置底部两侧分别设置有锑纯化装置入口和锑纯化装置出口，所述锑纯化装置入口连通所述燃料池出口，以将经燃料还原获得的锑引入所述锑纯化装置中进行纯化处理。
[0014]进一步的，还包括锑储存器，所述锑储存器同时设置有锑储存器入口和锑储存器出口，所述锑储存器入口连通所述锑纯化装置出口，且所述锑储存器出口连通所述电池电堆。锑储存器储存有足量的锑，可以补充系统损耗的锑并且保证持续不断的向电池电堆里面输入足量的液态锑。
[0015]进一步的，所述氧化锑收集池出口设置有直接连通电池电堆的通道，用于将从电池电堆中流出的未参入电池反应的液态锑重新导入到电池电堆中。
[0016]进一步的，所述氧化锑收集池出口设置有分别直接连通所述氧化锑收集池入口和所述燃料池入口的通道，以将可能从底部流出的氧化锑重新送入氧化锑收集池或者燃料池。
[0017]进一步的，所述电池电堆包括电堆腔体和封装集成在电堆腔体中的多个相互并联的单电池，其中，所述单电池呈管状，所述管状电池的内壁为阴极或者负载有阴极的阴极支撑体，所述管状电池的外壁为电解质或者电解质支撑体，所述管状电池的阳极位于所述电解质表面或者电解质支撑体表面；所述电堆腔体的内部具有空腔，用于容置作为阳极的液态锑。
[0018]进一步的，所述电堆腔体外观呈矩形，该矩形电堆腔体的两相对侧壁上均设置有保护气预留口，用于经一侧的所述保护气预留口通入保护液态锑免被氧化的气体并经另一侧的所述保护气预留口排出。
[0019]本发明将一个复杂的发电系统分成各自独立的几个部分，分别是:电池电堆，氧化锑收集池，燃料池，锑纯化装置，锑储存器。每个部分之间通过管道相连，而且之间有开关以及备用通道，当某个部分发生故障需要更换或者维修时，可开启备用通道依然可以保证正常发电。
[0020]本发明将液态锑阳极固体氧化物燃料电池电堆发电系统的电堆发电和阳极锑还原循环利用两个核心部分进行了机构分割，简化了系统的工作方式，使得系统整体变得简单，适用性和可靠性更高。阳极锑还原循环利用与燃料池的电堆发电相独立，方便燃料加载和清洁残余垃圾。循环利用的锑经过纯化处理，电池电堆不易被毒化污染。
[0021]按照本发明的另一方面，还提供了一种制备如上所述的燃料电池电堆系统的方法，其特征在于，其包括如下步骤:
[0022]S1:制备电堆腔体，并在预留位置设置阳极集流装置和阴极集流装置，将多个单电池集成封装在电堆腔体上，获得电堆中间体，向电堆中间体中加入金属锑粉末；