一种强化阳极传质的碳燃料电池装置

1.本发明涉及碳燃料电池技术领域，具体为一种强化阳极传质的碳燃料电池装置。


背景技术：

2.由于人类社会科技的进步，能源危机和环境恶化等字眼不断冲击着人类的眼球。随着石油、煤炭等化石能源的不断减少和环境污染的程度不断地加重，寻找可再生能源，建立能源的高效利用机制，寻求能源清洁转化技术方法成为当今社会科学研究的一大热点。
3.最近几年，燃料电池技术被认可成为21世纪最有发展前途的发电技术。燃料电池是通过不经过燃烧的电化学反应将化学能转化为电能，与传统的火力发电相比，燃料电池技术发展前景广阔。碳燃料电池具有能量转化率高、洁净、燃料来源范围广等特点，是唯一兼备无污染、效率高、适用范围广、无噪音和具有连续工作和模块化特点的动力装置，被认为是21世纪最具有发展前景的高效清洁发电技术，是继火力发电、水力发电和核能发电之后的新型发电技术。
4.但心有技术中，已经研发出来的能够运行的各种燃料电池，在电池运行放电时都会随着电化学反应的进行，而出现反应物的消耗、电池内部的热量产生、传递及耗散、温度分布不均匀等现象，从而导致燃料电池在正常运行时会出现一系列的热量传递、质量传递的问题，即传热过程和传质过程受阻。由于传热过程和传质过程受到阻碍以及装置系统的耗能等影响，使得目前燃料电池总的能量转换效率多在45％-60％，并且有研究发现燃料电池内部的传质过程受阻也会使燃料电池的性能在正常运行时出现极化现象，而传质极化则会导致膜电极性能的下降，甚至还会使电池装置的寿命受损。而对于直接碳燃料电池来说，阴极则是与氧化剂相接触，因此电池在运行时，其传质过程多发生在阳极端，所以对于强化燃料电池内部的传质过程也逐渐成为燃料电池研究领域的一个研究重点。
5.所以我们提出了一种强化阳极传质的碳燃料电池装置，以便于解决上述中提出的问题。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种强化阳极传质的碳燃料电池装置，以解决上述背景技术提出的已经研发出来的能够运行的各种燃料电池，在电池运行放电时都会随着电化学反应的进行，而出现反应物的消耗、电池内部的热量产生、传递及耗散、温度分布不均匀等现象，从而导致燃料电池在正常运行时会出现一系列的热量传递、质量传递的问题。
7.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种强化阳极传质的碳燃料电池装置，包括不锈钢支架，所述不锈钢支架的顶部活动安装有搅拌装置，且不锈钢支架的内侧底部固定安装有加热炉，所述加热炉的顶部内侧活动安装有放电组件，所述搅拌装置包括驱动电机、变径联轴器、搅拌棒和搅拌叶，所述驱动电机的底部与变径联轴器的顶部活动安装，且变径联轴器的底部与搅拌棒的顶部活动安装，所述搅拌棒的底部与搅拌叶的顶部固定安装，且搅拌叶的底部外侧缠绕连接有铜条；
8.所述放电组件包括刚玉坩埚、刚玉坩埚盖、电解质管、阴极银丝、氮气管和氧气管，所述刚玉坩埚的顶部与刚玉坩埚盖的底部活动安装，所述刚玉坩埚的底部填充有固体碳燃料，且刚玉坩埚的内部一侧与电解质管的底部外侧活动安装，所述电解质管的外侧缠绕连接有阳极银丝，且电解质管和阳极银丝的底部均与固体碳燃料的一侧活动插接，所述刚玉坩埚的内部另一侧与搅拌棒的底部活动插接，所述搅拌棒和电解质管之间插接有参比电极，且参比电极的底部与刚玉坩埚的顶部内侧插接，所述电解质管的内部一侧与阴极银丝的底部活动插接，且电解质管的内部另一侧与氧气管的底端相连通，所述刚玉坩埚的顶部与氮气管的底端相连通。
9.优选的，所述固体碳燃料还可填充于电解质管的内部底端，且固体碳燃料的内部与阴极银丝的底部相接触。
10.优选的，所述不锈钢支架包括底板、铁壳件和四个立杆，所述底板的四个顶角顶部分别与四个立杆的底部焊接，且四个立杆的顶部之间活动卡接有顶板，所述底板的内侧顶部与铁壳件的底部固定安装。
11.优选的，所述顶板的一侧与驱动电机的底部固定卡接，所述铁壳件的内侧与加热炉的外侧固定安装。
12.优选的，所述搅拌棒和搅拌叶均为实心材质。
13.优选的，所述刚玉坩埚盖的外侧分别贯穿开设有试管孔、电极孔和导管孔。
14.优选的，所述电解质管的外侧与试管孔的内侧活动插接，所述参比电极的外侧与电极孔的外侧活动插接，所述氮气管的内侧与导管孔的外侧活动插接。
15.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
16.本发明的强化阳极传质的碳燃料电池装置，用该种电池结构除了可以进行电池的长时间放电性能实验，还可进行阳极强化传质装置性能测试实验以及连续进料装置性能测试，并且用此种电池结构进行实验，能够使固体碳燃料与银丝及ysz电解质管的接触面积更大，强化了阴极银丝和阳极银丝的集流效果，从而增加了电池装置的放电效率。
附图说明
17.图1为本发明一种强化阳极传质的碳燃料电池装置的立体图；
18.图2为本发明一种强化阳极传质的碳燃料电池装置放电组件的固体碳燃料位于刚玉坩埚内的结构示意图；
19.图3为本发明一种强化阳极传质的碳燃料电池装置放电组件的固体碳燃料位于电解质管内的结构示意图；
20.图4为本发明一种强化阳极传质的碳燃料电池装置刚玉坩埚盖的结构示意图；
21.图5为本发明一种强化阳极传质的碳燃料电池装置搅拌装置的结构示意图；
22.图6为本发明一种强化阳极传质的碳燃料电池装置的俯视结构示意图；
23.图7为本发明在0.8v、0.6v、0.5v电压下恒电位放电2.5h电池性能变化图；
24.图8为本发明从70℃升高到800℃是开路电压的变化情况示意图；
25.图9为本发明在放电2h后的开路电压的变化示意图；
26.图10为本发明在800℃恒温状态下阳极参比电极电压变化示意图；
27.图11为本发明开启搅拌装置与不开启搅拌装置的平行实验数据结果对比图；
28.图12为本发明运行2.5min、5min、30min、2h后开启搅拌装置后电流随时间的变化示意图；
29.图13为本发明长时间放电后在不同温度下以50mv/s扫描e-i图；
30.图14为本发明长时间放电后在不同温度下50mv/s扫描速率p-i图；
31.图15为本发明长时间放电后在间歇搅拌后不同温度的开路电压图。
32.图中：
33.1、不锈钢支架；2、搅拌装置；4、加热炉；3、放电组件；20、驱动电机；21、变径联轴器；22、搅拌棒；23、搅拌叶；24、铜条；30、刚玉坩埚；31、刚玉坩埚盖；32、电解质管；33、阳极银丝；34、阴极银丝；35、参比电极；36、氮气管；37、氧气管；39、固体碳燃料；10、底板；12、铁壳件；11、立杆；14、顶板；310、试管孔；311、电极孔；312、导管孔。
具体实施方式
34.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施条例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
35.实施例1
36.请参阅图1-6，本发明提供一种技术方案：一种强化阳极传质的碳燃料电池装置，包括不锈钢支架1，不锈钢支架1的顶部活动安装有搅拌装置2，且不锈钢支架1的内侧底部固定安装有加热炉4，加热炉4的顶部内侧活动安装有放电组件3，搅拌装置2包括驱动电机20、变径联轴器21、搅拌棒22和搅拌叶23，驱动电机20的底部与变径联轴器21的顶部活动安装，且变径联轴器21的底部与搅拌棒22的顶部活动安装，搅拌棒22的底部与搅拌叶23的顶部固定安装，且搅拌叶23的底部外侧缠绕连接有铜条24；采用变径联轴器21对驱动电机20的连接轴与搅拌棒22进行连接，跳过中间的转换夹头，使驱动电机20与搅拌棒20直接连接起来，通过变径联轴器21上的螺丝进行固定。用此种设计进行的连接可以彻底解决使用转换夹头连接时，在运转时的倾斜问题，并且大幅度的缓解了搅拌棒22在运转过程中的摇晃问题，同时也方便了电池装置的调节。该种结构的搅拌棒22和搅拌叶23在纵向具有一定的高度且是实心的材质，在放电组件3内部进行运转时，可以很好地对固体碳燃料39进行扰动传质，相对前面所设计的几种搅拌叶23，该结构几乎克服了材料易断裂、搅拌棒22易弯曲变形、搅拌叶23面积较小、搅动深度不够等一系列的不足之处。为增强搅拌叶23在放电组件3内部的搅动效果，在尾端弯头处缠绕了一段铜条24，并制成不规则形状，以增加搅动面积就阻力，从而加强其在放电组件3内部运转时的搅动效果。
37.将电机装置固定在不锈钢支架1的一定高度上，使得搅拌棒22能够很好地在放电组件3内运转，不至于触碰到刚玉坩埚30的内壁及底部。
38.放电组件3包括刚玉坩埚30、刚玉坩埚盖31、电解质管32、阴极银丝34、氮气管36和氧气管37，刚玉坩埚30的顶部与刚玉坩埚盖31的底部活动安装，刚玉坩埚30的底部填充有固体碳燃料39，且刚玉坩埚30的内部一侧与电解质管32的底部外侧活动安装，电解质管32的外侧缠绕连接有阳极银丝33，且电解质管32和阳极银丝33的底部均与固体碳燃料39的一侧活动插接，刚玉坩埚30的内部另一侧与搅拌棒22的底部活动插接，搅拌棒22和电解质管
32之间插接有参比电极35，且参比电极35的底部与刚玉坩埚30的顶部内侧插接，电解质管32的内部一侧与阴极银丝34的底部活动插接，且电解质管32的内部另一侧与氧气管37的底端相连通，刚玉坩埚30的顶部与氮气管36的底端相连通；刚玉坩埚盖31的外侧分别贯穿开设有试管孔310、电极孔311和导管孔312，电解质管32的外侧与试管孔310的内侧活动插接，参比电极35的外侧与电极孔311的外侧活动插接，氮气管36的内侧与导管孔312的外侧活动插接。
39.在本实施例中，该种碳燃料电池结构是将固体碳燃料39放置在刚玉坩埚30的内部，将电解质管32插入到固体碳燃料39内部。用该种结构的电池装置进行实验可以承装较多的固体碳燃料39，而且刚玉坩埚30内部的空间较大，能够同时放下电解质管32、参比电极35、搅拌棒22及氮气管36，用该种电池结构除了可以进行电池的长时间放电性能实验，还可进行阳极强化传质装置性能测试实验以及连续进料装置性能测试，并且用此种电池结构进行实验，能够使固体碳燃料与银丝及ysz电解质管的接触面积更大，强化了阴极银丝34和阳极银丝33的集流效果，从而增加了电池装置的放电效率。
40.首先要对碳燃料电池的加热炉4进行组装，在对电加热炉进行设计组装时，根据测量出的加热炉4的尺寸，定制了一个厚度为2mm，带有支撑的正方体铁壳件12，铁壳件12可使加热炉4悬空而避免发生烫伤事故，包括壳体和盖子两部分。在组装时，将加热炉4放入铁壳件12中，而后将电线通过壳体直径约2cm的小孔穿入，与加热炉4的两个接线端口相连，而后自动升温控制仪表与电加热炉和热电偶相连接，综上所述，电池的加热系统组装完成，以下为对电池装置的各个装置配件的制作与组装。
41.(1)在进行碳燃料电池装置的组装前需要先将ysz电解质管32进行一定的预处理，其过程为：
42.(a)首先对所用电解质管32的型号根据需要对其进行选择。
43.(b)在选定电解质管32的规格后，取出一段长50cm左右的银丝缠绕成螺旋状，其直径大小要略小于所选电解质管32的内径，并将其插入到电解质管32内并与电解质管32底部相接触，便于在后续的实验过程中电子及离子的传导，形成闭合回路。而后再取一段较长的银丝，从电解质管外表面的底部开始，呈螺旋状向上缠绕，缠绕过程中要注意银丝与电解质管外面表面紧密贴合，最后将两段银丝在电解质管口处用黑色绝缘胶带固定。
44.(c)在电解质管32表面及内部缠绕好银丝后，还要再涂上一层银浆。实验所采用的制备银奖的原料为速干型导电银漆，这种无机银粉纳米颗粒材料很均匀地分散在有机溶剂里，具有很好的导电性能，其电阻极低，而且银浆在固化后的构造密集，拥有很好的表面硬度及抗氧化性，并且还有卓越的附着性及极好的稳定性。银浆的制备过程如下：将适量的速干型导电银漆挤入小烧杯中，然后倒入适量的乙酸乙酯溶剂。若乙酸乙酯太少，则会导致稀释出的银浆太浓，晾干所需时间过长；若乙酸乙酯过多，则会使银浆太稀，无法黏挂在电解质管及银丝上。用小刷子搅拌均匀后，涂抹在电解质管32及阴极银丝34和阳极银丝33上，将其放置在干燥处晾干，使银浆充分固化在电解质管32及阴极银丝34和阳极银丝33上后即可使用。
45.(2)在进行试验前还要先向刚玉坩埚30内部加入一定量的固体碳燃料39。所用固体碳燃料39种类包括石墨、活性炭、烟煤、无烟煤等与碳酸锂，在固体碳燃料39内加入碳酸锂能够增强其导电性及流动性能，进行一定比例的混合后在倒入坩埚内。
46.在进行电池装置的组装时，首先将缠绕了银丝电极并涂抹了银浆的电解质管32通过刚玉坩埚盖31放入刚玉坩埚30内，并将其插入到固体碳燃料39的内部，而后将其放入加热炉4内，而后在电解质管32内插入氧气管37，然后在刚玉坩埚盖31的其余孔洞中插入参比电极35、氮气管36，同时要注意导气管不能触碰燃料，且多出部分的银丝电极要固定好并且要注意与电池装置外壳之间的绝缘。如若进行阳极强化传质装置的性能测试实验，则还需插入搅拌棒，最后塞入石英棉，将刚玉坩埚固定在电加热炉内。
47.固体碳燃料39还可填充于电解质管32的内部底端，且固体碳燃料39的内部与阴极银丝34的底部相接触。
48.实施例2
49.电池的性能测试：
50.在将电池装置组装完成后，利用电化学工作站及台式万用表对电池进行了长时间放电性能测试，通过恒电位放电方法进行测试，以此验证电池装置长时间工作运行的稳定性。此次实验所使用电池装置为使用φ18mm*3.5mm的ysz电解质管，坩埚内装有60g碳燃料的石墨粉碳燃料电池，对其进行了在不同电压下恒电位放电2.5h后电池性能稳定性的监测，所得实验数据图如图7所示；
51.由图7可见，在放电过程初期电流明显下降但后期趋于平稳，电流没有较大的波动，说明放电过程电池性能比较稳定，说明该碳燃料电池制作比较成功。当碳燃料电池在0.8v的电压下进行2.5h的恒电位放电后，电流从一开始的18.022ma下降到6.76301ma，电流下降了11.2589ma；当碳燃料电池在0.6v的电压下进行2.5h的恒电位放电后，电流从一开始的15.0623ma下降到9.4821ma，电流下降了5.5802ma；当碳燃料电池在0.5v的电压下进行2.5h的恒电位放电后，电流从一开始的25.3498ma下降到10.0414ma，电流下降了15.3084ma。可见不同放电电压对电池性能影响并不大，电流下降基本趋于稳定，电池在0.6v的电压下放电性能最好，其放电曲线最平稳，电流下降幅度最小，但与活性炭燃料相比，石墨粉碳燃料电池的下降幅度还是比较大的。此外，从图7中还可以看出，降低放电电压，可以使长时间的放电电流有小幅度的提高。
52.阳极强化传质装置结果分析：
53.在实验过程中，除了对所组装的电池装置的性能进行了测试，还实际探究了设计制作的阳极强传质装置对电池性能的增强效果。在实验过程中，首先是对阳极电极电势及电池的开路电压进行了实验检测，所得数据图，如图7、图8、图9所示；
54.由图7可以看出，电池装置在前两个小时的运行时间内，其开路电压是无规律波动。而在图8图中，在大概7000s附近，电池的开路电压发生突变，电压值上升至0.85v左右，而后开始波动上升至接近1.0v。根据先前所做得出的实验结论，是由于阴极的有机物挥发完，阴极的集流完成，电池形成了回路。同时参比图9所示，可以看出800℃下的阳极电压也在升高。因此推测可以通过改变阳极电势、强化阳极附近的碳燃料，使电池装置的整体开路电压升高，从而优化电池装置性能。随后，对以石墨为碳燃料的电池装置进行了实验探究，所得数据处理图，如图10所示；
55.图10为在电池运行状态稳定的情况下，以50mv/s的扫描速率进行动电位扫描所做的三组平行实验，每组实验包括开启搅拌器与没开启搅拌器两种条件，而且从图中可以看出，每次动电位扫描电压的起点都是1.04v。将三组实验分别进行组内对比，可以发现每组
实验中，均是开启搅拌装置的电压变化要比不开启搅拌装置的电压变化要快。而综合对比三组开启搅拌装置与三组不开启搅拌装置的数据图，可以发现开启搅拌装置的数据图线均分布在不开启搅拌装置的图线下方，这说明搅拌装置的开启确实可以加快电压的变化速率，但是根据图中六条曲线的变化情况可以看出，每次动电位扫描结束后的电流都在80ma附近，并没有明显的区别，据此推测可能是因为电池在稳定状态的运行时间不长，阳极的集流效果也很好，因此搅拌装置并没有对电池起到明显的强化效果，或是因为固体碳燃料本身的流动性能较差，其在电池内部受到搅拌装置的搅动，需要一定的时间才能聚集到阳极，而50mv/s的动电位扫描时间太短，固体碳燃料还未聚集到阳附近时，电池扫描已经结束，因此看不出强化传质装置对石墨燃料的阳极强化作用。通过上述的实验测试并没有确切得出在电池装置的运行过程中开启搅拌装置能够增强电池的工作性能的结论，因此，为探究上述实验过程中，搅拌装置没有对电池起到明显的强化作用是由于石墨燃料的导电性能优越，阳极银丝的集流效果很好，所以导致搅拌装置的强化传质的效果不明显，还是因为石墨在熔融状态下，从远端达到阳极需要一定的延迟时间，而使传质装置没有效果。
56.为探究上述问题，随后进行了800℃、0.6v的恒电位极化实验，并且分别在开始后2.5min、5min、30min及2h后开启搅拌装置，所得实验结果如图11所示；
57.由图11中电池运行2.5min、5min、30min后，开启搅拌装置后电池电流的变化情况，可以看出，随着时间的增加，电流越来越小。电流从开始的33ma逐渐降低到29ma，第二张图的电流从30ma降低到24ma，第三张图的电流从23.8ma降低到18ma。电流逐渐降低，符合恒电位极化一直放电消耗电池燃料的规律。而最后一张图的电流也是在随着时间的增加而降低，但在9000s附近，其电流出现了一个大幅的跃升，从9ma升至11ma，出现这个跃升的原因可能是在电池运行了2h后，开启了搅拌装置进行强化传质，由图中也可以看出，在7200s左右，电流变化曲线出现了一定幅度的波动。而根据实验所得到的数据可知，电流先是有一个小幅度的下降，不久之后电流慢慢升高，但是升高的幅度不大，在这段过程中顶点的电流也仅仅比没开搅拌装置的高了0.2ma，但是就是过了9000s后，电流突然地跃升，一下子从9ma上升到11ma就能很好的证明在使用石墨这种碳燃料的情况下，在阳极进行搅拌能够增强阳极上的传质，强化阳极上的集流，增强了电池的性能。但是影响石墨阳极传质的因素到底是石墨本身的阳极集流足够好，需要很长时间的放电反应，使电池装置的性能下降，搅拌装置对于强化传质的表现才能明显的表现出来，还是因为在熔融状态下石墨的流动需要时间，所以搅拌的影响效果要逐渐体现出来。
58.针对上述问题的探究，对比观察图13、图14和图15中的三张图，可以看出在开始搅拌前，电压－时间图都是比较平滑的，而在开启搅拌后，电压－时间图有一些小幅度的波动。这个细节说明了搅拌其实是对阳极材料有影响，不是说在熔融状态下需要时间才能够发现，而是在搅拌开启的时刻，阳极附近的碳燃料及开始慢慢运动起来，但是由于阳极附近碳燃料充足，集流效果很好，搅拌的强化传质不明显。另外，可以看到图14中的后半部分的变化曲线都有一些小范围波动，这个就显示出在这个石墨做碳燃料进行燃料电池实验几个小时后，阳极的碳燃料的集流已经开始有些不稳定，这更加证实了搅拌对于阳极强化传质一定是有影响的，只是这个影响对于石墨这种燃料来说需要时间，需要在阳极的部分反应掉一些，强化传质才能更加直观。