[发明专利]一种以多孔陶瓷材料为支撑的直碳燃料电池装置

说明书

技术领域

本发明涉及直碳燃料电池领域，特别涉及一种以多孔陶瓷材料为支撑的直碳燃料电池装置。

背景技术

   近年来，由于以石油为代表的化石能源原材料价格的持续增长，各国政府都深刻认识到对化石能源的高度依赖是一种非可持续性战略，这些资源不仅将被开发殆尽，其作为燃料产生的CO₂更在不断加剧全球气候的温室效应。为此，许多国家投入大量科研经费，研究新型的可再生能源或者开发更高效利用现有能源资源的方法。就中国的基本国情而言，我国煤炭储量排名世界第三，其作为一次能源主要被利用于火力发电。但由于存在煤炭燃烧这一过程，导致这种能源利用方式不仅效率有限，而且会产生大量温室气体CO₂。因此，人们有必要研究煤炭发电的新途径。

直碳燃料电池是一种电化学能量电池。它以碳为原料，直接将碳的化学能转化为电能;而不是应用传统的工艺:通过碳的燃烧将其化学能转化为热能,再通过汽轮机将热能转化为机械能,进而带动发电机生成电能。因为不经历热能的转化,因此没有卡诺循环对效率上限的约束。理论上,直碳燃料电池的发电效率能达到100%,这与现有的火力发电30%左右的效率相比,可以说是革命性的提高。另外，由于煤炭是固体，氧化产物是CO₂气体，直碳燃料电池的设计有利于两者的分离和CO₂气体的回收，从而达到减排甚至零排放CO₂温室气体的效果。

进入新世纪以来，随着太阳能，生物质能，风能等新型能源和可再生能源研究的流行，燃料电池也进入人们的视野。随着研究的深入,燃料电池的种类也日趋广泛,发展出碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、质子交换膜燃料电池(PEMFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)、直接甲醇燃料电池(DMFC)等多种类型。这些燃料电池多以气体和液体为燃料，与直碳燃料电池利用固体碳为燃料相比，在燃料的储存和输送上都存在较大劣势，因此直碳燃料电池成为燃料电池研究的热点。

直碳燃料电池按结构主要分为有平板型和管式两种。为了达到连续运行的目的，将碳燃料置于电池板上方或者电池管筒之内，使其因重力作用始终与电池阳极紧密接触，实现碳燃料转化为CO₂电化学反应连续进行。这就使得阳极，电解质和阴极这三层之中，至少有一层为了作支撑而被加工的比较厚重。现有的平板型或者管式直碳燃料电池都是由电极层或者电解质层作支撑的结构。

另一方面，出于减小内阻消耗和节省电极材料的考虑，电极和电解质层的厚度却是加工的越薄越好。这就对电极和电解质的材料强度和结构设计提出了更高的要求。如果不加以解决，将会阻碍直碳燃料电池技术的发展。因此，在保证电池机械强度的前提下，如何将其制作得结构轻薄成为直碳燃料电池的一大技术难题。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种以多孔陶瓷材料为支撑的直碳燃料电池装置。

其技术方案是：主要由阳极出气管、气泵、阴极进气导管、圆筒型容器、导热垫片、阳极进气管、阴极出气导管、密封垫圈、电池单体、加热圈组成，所述的圆筒型容器的顶部设有盖，外面设有加热圈包裹，圆筒型容器内底部有导热垫片，电池单体置于其上，留出阴极气体流过的流道，使阴极气透过陶瓷上的孔道与阴极接触，由密封垫圈将圆筒型容器分隔成阴极区和阳极区；圆筒型容器下部为阴极区，由气泵经阴极进气导管将阴极气导入，阴极尾气由阴极出气导管导出；在圆筒型容器上部为阳极区，阳极载气经阳极进气管导入，由阳极出气管导出；

上述的电池单体从下到上依次为多孔陶瓷片，电池阴极，阴极电解质过渡层，电解质层，用高温密封胶与碳燃料仓粘连密封，在其内装入碳燃料，为阳极，各部件紧密结合构成电池单体，通过阴极集流导线和阳极集流导线连接外部负载。

上述的电池单体可以为四层到六层结构：其中，四层结构是指从下到上依次是多孔陶瓷片，阴极，阴极—电解质过渡层和电解质层；五层结构则是四层基础上，在电解质上面再添加一层熔融物或者液态的阳极；六层结构则是在五层结构基础上，在阳极与电解质中间，添加阳极—电解质过渡层。

上述的多孔陶瓷片是由是氧化铝，氧化锆，氧化镁等或者其中的一种，两种或者两种以上的瓷粉烧结而成；其孔径大小为1mm至10nm，其应用的多孔陶瓷片可以是平板型的，也可以是管式的，包括两端开口和一端口两种类型。