一种阴极进气可反馈控制的直接碳燃料电池的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及直接碳燃料电池制备领域，具体涉及一种阴极进气可反馈控制的直接碳燃料电池。
【背景技术】
[0002]燃料电池(fuel cells，FCs)是继火电、水电和核电之后的第4代发电技术，它是唯一兼备无污染、高效率、适用广、无噪声和具有连续工作和模块化特点的动力装置，被认为是21世纪最有发展前景的高效清洁发电技术。作为燃料电池的一种，直接碳燃料电池DCFC可以采用石墨、活性炭、煤焦炭、生物质焦炭等为燃料，碳(碳的衍生物)和氧气经过电化学反应，不须气化直接产生电能，它具有能量转化效率高、清洁、燃料适应性广的特点。直接碳燃料电池的工作温度在400?1000°C之间。
[0003]直接碳燃料电池以碳为燃料，与其他燃料电池相比，每升氧气氧化的碳(燃料)会放出更多的能量(20kWh/L)，而氢气为2.4kWh/L，甲烷为4.2kWh/L。在标准状态下，C+02 — C02反应的熵变(Δ S)接近0，焓变与吉布斯自由能的变化几乎相等，故DCFC理论效率可达100% ;电池反应生成的气体仅是C0:便于回收，能缓解温室效应。
[0004]目前国内外很多学者和专家采用了流化床对阳极板仓的碳颗粒进行流态化，促进其与电解质的充分接触，从而降低电池的浓差极化，对于阴极混合气体的动态流量控制鲜有研究。
[0005]Gur将流化床电极与固体氧化物DCFC相结合，形成了流化床电极直接碳燃料电池，电池采用He作为介质来实现碳颗粒的流态化，以促进其与阳极集流器接触，从而降低了电池的浓差极化。并对不同规模该类型电池的进行了测试，小型装置的输出功率密度很低，尚不足2mW/cm2。
[0006]东南大学仲兆平在专利200510041047.3中提出了一种流化床电极直接炭燃料电池方法及转化装置，提出将阴极和阳极用微孔金属隔板分隔并形成三相流化床，以碳酸盐为电解质，以镍粉或镍铬合金为催化剂，将二氧化碳气体通入阳极，将二氧化碳、空气的混合气体通入阴极，底部通流化气体，实用新型提高了电流密度。该实用新型第一流化气体未形成气体循环，造成了浪费，第二是阴极流化气体为二氧化碳和空气的混合气体，在高温时，炭与C02反应生成C0，且C0的比例成分可达85%以上，消耗的炭无法产生电子。
[0007]清华大学史翊翔在专利201110217478.6中提出了一种流化床电极直接碳燃料电池装置，该实用新型在固体氧化物直接碳燃料电池基础上，向固体碳燃料中添加导体催化剂，使得碳的直接化学反应从二维拓展为三维，促进碳的气化反应，从而提高电池性能，进一步增强了电极内的传热和传质。该实用新型基于固体氧化物碳燃料电池，进行了流化床电极的设计，进气控制只限于阳极，且混合气体无法动态控制。
[0008]上述文献中分别提到了不同的流化床电极碳燃料电池装置，各有其缺陷，主要的问题是阴极进气中氧气流量的变化会直接影响电池的相关性能。庞永梅等在直接碳燃料电池性能研究中提出:高氧气流量可以提高阴极反应速度，但流量过大时，会加快阴极氧化腐蚀，反而不利于氧气的还原，因而在特定温度下，氧气的流量在一定特定的范围内，电池的性能可以达到最优。
【实用新型内容】
[0009]为了提高电池的工作效率，提高电池的综合性能，本实用新型提供了一种阴极进气可反馈控制的直接碳燃料电池反应装置，从而更好地提高阴极反应速度，提高导电性能，达到最优化控制。
[0010]本实用新型的目的在于提供一种阴极进气可反馈控制的直接碳燃料电池。
[0011]本实用新型的阴极进气可反馈控制的直接碳燃料电池包括:反应装置、阳极板仓、阴极板仓、阳极、阴极、阳极集流板、阴极集流板、电流表、微孔隔板、电解质、碳燃料以及可控流量系统；其中，在反应装置内盛放电解质；筒状的阳极板仓和阴极板仓分别设置在反应装置的底部；阳极和阴极分别放置在阳极板仓和阴极板仓内；具有孔洞的阳极集流板和阴极集流板分别从反应装置的顶部穿入并伸入到阳极板仓和阴极板仓中；阳极集流板和阴极集流板分别连接至电流表；在阳极板仓和阴极板仓之间设置微孔隔板；在阳极板仓内放置碳燃料；在反应装置的底部并位于阴极板仓内设置阴极进气口，在反应装置的顶部并与阴极进气口相对的位置设置阴极出气口，在阴极进气口和出气口之间设置可控流量系统；可控流量系统包括电子控制单元、电磁阀、节气片、阴极管道和空气循环装置，其中，阴极管道的两端分别连接阴极进气口和阴极出气口 ；在阴极管道上设置空气循环装置；在空气循环装置内部设置节气片；电流表连接至电子控制单元；电子控制单元连接至电磁阀；电磁阀连接至节气片。
[0012]在反应装置的底部并位于阳极板仓内设置阳极进气口，在反应装置的顶部并与阳极进气口相对的位置设置阳极出气口，阳极进气从阳极进气口输入，阳极进气为C02、队和惰性气体的混合气体，混合通入到阳极板仓的底部，形成湍流，使碳燃料流态化，增大反应比面积。阴极管道通过阴极进气口输入阴极进气，阴极进气采用氧气和水汽的混合气体，或者空气和水汽的混合气体，其中，水汽的浓度在35?50%之间，氧气的浓度在50?65%之间。掺混较大浓度的水汽可以有效保证氧气的湿度，增大逆反应过程，防止0H-离子的消耗。
[0013]在空气循环装置中设置节气片，通过改变节气片的位置，从而实现阴极进气的流量的变化。节气片放置在空气循环装置的出口端内，节气片上设置有位置传感器，位置传感器连接至电磁阀，通过接收电池阀的指令，调节位置传感器，控制节气片的开启角度，从而调节流量的大小。节气片为片状，外边缘形状与空气循环装置的出口端的内壁的形状一致，节气片的直径比出口端的内壁的直径小1?2cm。节气片选用耐磨性能好的材料，如不易被腐蚀的93% AL203陶瓷基片或聚酰亚胺薄膜。
[0014]在实际工作中，当温度增加到工作温度时，直接碳燃料电池处于反应阶段，阳极进气口不断地通入0)2的混合气体，阴极进气口通过可控流量系统不断地输入氧气和水汽的混合气体，阴极集流板和阳极集流板将产生的电流收集，并在电流表中显示；电流表的电流密度值输入到电子控制单元；电子控制单元ECU存储了当前工作温度下的电流密度参考值，ECU将电流表给出的电流密度值与参考值进行对比计算，计算得出修正参数并发出指令到电磁阀；电磁阀根据ECU指令控制节气片的位置，从而实现阴极进气的流量的变化。
[0015]本实用新型的直接碳燃料电池的阴极为镍镧复合材料阴极，包括两种材料，第一种材料为镍，第二种材料为镧系金属或氧化镧La203;镧系金属采用镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱和镥中的一种；其中，第一种材料镍的摩尔百分含量占85?93%，第二种材料的摩尔百分含量占7?15%。阴极中镧提高了阴极的氧吸附离解能力和还原催化活性，并提高了阴极氧离子的电导率，增加了电极反应三相界面。在阴极中添加高氧离子电导的La可使阴极在高温下成为电子-离子混合导体；另外，阴极中的La有助于增大Ni阴极表面氧化膜的电子电导率，使阴极表面电阻降低，从而使得DCFC输出性能提高。Ni阴极表面会在熔融碱及熔融碳酸盐电解质中氧化为电导率很低的p型半导体N1。镍镧复合材料阴极为非平面状的多维立体形状，剖面曲线为三角波形、锯齿波形、正旋波形、矩形波形和瓦楞状中的一种，这种多维立体形状，增加了空间利用率。
[0016]本实用新型的镍镧复合材料阴极加工成非晶态和纳米晶薄膜材料，用于直接碳燃料电池；采用镍粉或镍铬合金粉为催化剂；微孔隔板采用镍或镍铬合金；碳燃料采用石墨、炭黑、焦炭和煤中的一种或多种。
[0017]电解质采用Κ0Η和NaOH的混合溶液，相比单电解质而言，混合溶液的电池性能更为优良，电池的开路电压、电流密度都明显较大，输出更加稳定。
[0018]本实用新型基于以下原理实现能量转化:
[0019]以共晶熔融氢氧化物混合物为电解液，固体碳燃料作为阳极，发生氧化反应，释放电子；氧气在阴极发生还原反应，获得电子；电子从阳极到阴极的转移为外界提供电能，二氧化碳作为唯一的反应产物释放出来。化学反应式如下:
[0020]阳极反应:C+40H= CO 2+2H20+4e