串联呼吸型双板仓固体碳燃料电池堆的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型属于燃料电池技术领域，特别涉及一种呼吸型固体碳燃料电池堆。
【背景技术】
[0002]能源是人类经济的支柱，也是社会活动的必须动力。目前主要通过热机获得社会活动所需的初级动力，然后转化为电能。但是，由于热机受到“卡诺循环”的限制，效率提高较为困难，造成能源浪费、污染排放增加等问题。因此，开发高效、清洁的电能获取方式，成为能源发展的必然方向。
[0003]燃料电池可将储存在燃料中的化学能直接转化为电能，不受“卡诺循环”的限制，具有能量转换效率高、洁净、无污染、噪声低、比功率高等优点，受到世界各国的广泛重视。其中，直接固体碳燃料电池(Direct Carbon Fuel Cell,简称DCFC)采用固体碳作为燃料，将其中化学能直接转化为电能，更具有以下优点:直接而高效利用了化学燃料中碳的能量；固体碳燃料电池的理论热率为100%，熵变为O ;碳的进料和产出的二氧化碳集成在一个单元里，容易收集；煤炭资源丰富，且通过植物再生获取生物质碳简单、廉价、环保；固体碳安全，运输和储存方便；固体碳直接利用，加工简单、无污染。
[0004]直接固体碳燃料电池根据电解质不同可分为多种类型，固体氧化物燃料电池和熔融碳酸盐燃料电池大多温度高，电能的转换效率低，结构复杂，并且使用隔膜，具有维修或者替换困难等缺点。而采用熔融碱电解质(电解液)的固体碳燃料电池，具有温度低、电池效率高，结构简单，维修方便等优点。
[0005]19世纪末期，由于火力发电的效率低到2.6%，科学家们为提高效率，精简能量转化过程而研发了 DCFC技术。1896年Jacques建造了第一个DCFC模型，在500°C利用碳电极测得了高于IV的开路电压，并且最大电流密度达到了 lOOmA/cm2。由于碱电解质的碳酸化和残渣的累积，导致该系统无法连续运行。
[0006]在DCFC中，以碱性电解质为例，固体碳燃料作为阳极，发生氧化反应(反应一)，释放电子；氧气在阴极中发生还原反应(反应二)，获得电子；电子从阳极到阴极的转移为外界提供电能，电解质中OH—从阴极到阳极的转移形成完整电路，二氧化碳作为唯一的反应产物释放出来(反应三)。各反应化学式如下:
[0007]阳极反应:C+40!T—CO 2+2H20+4e_( 一 )
[0008]阴极反应:02+2H20+4e— 40H(二)
[0009]总反应:C+02—CO2(三)
[0010]在DCFC中，以碳酸盐电解质为例，固体碳燃料作为阳极，发生氧化反应(反应四)，释放电子；氧气在阴极中发生还原反应(反应五)，获得电子；电子从阳极到阴极的转移为外界提供电能，电解质中CO32-从阴极到阳极的转移形成完整电路，二氧化碳作为唯一的反应产物释放出来(反应三)。各反应化学式如下:
[0011]阳极反应:C+2C032— 3C0 2+4e (四)
[0012]阴极反应:02+2C02+4e— 2C0 32 (五)
[0013]总反应:C+02—CO2(三)
[0014]近年来由于全球暖化、酸雨以及固体空气颗粒物的增多都主要归咎于火电厂的污染排放，同时，能量效率只停留在35%左右，DCFC的技术开发提上日程。美国的SR1、LLNL和SARA等率先开始这方面的科研。2010年，来自澳大利亚、英国和中国的学者也加入了研发队伍。目前，DCFC技术仍处于学术研宄和产品研发阶段，技术研宄将不断扩大。下面对具代表性的研宄模型进行介绍。
[0015]为了提高电池的工作效率、降低成本，迫切需要简单、易造、高效的固体碳燃料电池。
[0016]以 Cooper 领导的美国 Lawrence 国家实验室(Lawrence Livermore Nat1nalLaboratory (LLNL))开发了熔融碳酸盐的燃料电池。该电池采用高温(800°C )的熔融碳酸盐作为电解质，固体炭颗粒作为燃料，空气中的氧气作为阴极还原剂。在800°C的运行温度下，优化电流密度为120mA/cm2，功率密度为60mW/cm2。
[0017]以Zecevic领导的研发组在美国SARA公司开发了碱性直接碳燃料电池。石墨碳棒被用于燃料，同时作为阳极导体浸泡在熔融的氢氧化钠电解质中，氧气通过电池底部的分散管通入，并与作为容器壁的阴极接触发生反应。在630°C的运行温度下，取得了优化电流密度为250mA/cm2，功率密度为57mW/cm2。
[0018]Irvine教授在英国University of St Andrews领导了复合固体氧化物与恪融碳酸盐的管状直接碳燃料电池项目。固体颗粒碳燃料与熔融碳酸盐混合加入阳极仓中，固体氧化物作为电解质，氧气吹入阴极作为还原剂。在800°C的运行温度下，优化电流密度和功率密度分别达到170mA/cm2和50mW/cm2。
[0019]在中国也有学者进行这方面的开发研宄，例如哈尔滨工程大学的曹殿学、清华大学的Ningsheng Ca1、天津大学的Yongdan Li等。目前的研宄一般都在较高的温度(630-8000C )下运行，随着温度的升高反应的速度提高，但电极材料的腐蚀，尤其炭燃料的消耗都随之提高。Boudouard反应指出碳会与二氧化碳(CO2)发生化学反应产生一氧化碳(CO)。
[0020]C+C02= CO
[0021]以碱性电解质为例，伴随温度的提高，气体中一氧化碳(CO)的含量按指数提升，例如在800°C时，有89%的气体成分是CO，意味着89%的固体炭与CO2发生了化学反应而消耗。那么，消耗的碳就无法产生电子，从而提供电能。在600°C时，25%的气体成分是CO。所以，降低温度将会大幅提高燃料的发电效率。
[0022]以碳酸盐电解质为例，伴随温度的降低，反应速度降低，例如在650°C时，反应不能发生。
[0023]检索到相关专利包括:一种流化床电极直接碳燃料电池装置CN201110217478.6，该装置包含流化床、两根及两根以上管式单体电池、集流板、复合碳燃料、气体循环装置、螺旋给料机和燃料箱。本发明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，使得碳的直接电化学反应界面从二维拓展为三维，并能促进碳的气化反应，从而提高电池性能，但是该装置没有呼吸装置，电池效率较低，产生的功率密度也较低；一种熔融碳酸盐直接碳燃料电池堆CN202308175U，该燃料电池堆由多个燃料电池单体堆叠而成；固体碳燃料粉末存放在碳燃料仓中，CO2气体流过碳燃料仓，携带碳燃料粉末流入阳极气体流道，碳燃料粉末穿过阳极板开孔与电解质隔膜中的熔融电解质直接接触，并粘附在电解质隔膜上，供燃料电池阳极反应。本实用新型解决了直接碳燃料电池的固体碳燃料连续给料难题，但是结构复杂、制造困难，熔融碳酸盐需要较高的温度，成本较高。
[0024]目前，现有的固体碳燃料电池存在以下缺点:
[0025]1、电池的工作效率低、成本高、结构复杂、制造困难；
[0026]2、功率密度低、反应温度高；
[0027]3、电池内电路消耗较大，内阻过大，水的利用率不高，电池使用寿命较短。
【实用新型内容】
[0028]本发明的目的是解决上述现有技术中存在的不足，提供一种串联呼吸型双板