[发明专利]一种基于玉米芯衍生燃料的微管式直接碳固体氧化物燃料电池组

说明书

本发明公布了一种基于玉米芯衍生燃料的微管式直接碳固体氧化物燃料电池组，由微管式固体氧化物燃料电池单体、玉米芯衍生燃料、反应室、保温层、不锈钢网、热电偶和点火器组成。本发明在微管式固体氧化物燃料电池单体的基础上，进行单体电池集成，使微管式直接碳固体氧化物燃料电池组具有单室固体氧化物燃料电池的特征，但阴、阳极无需密封，只做简单隔离，节约了密封成本，同时提高了电池性能；本发明有效地实现了在无外热源的情况下，利用玉米芯衍生燃料燃烧产生的热量自维持电池工作所需的高温，保证了电池的顺利启动和工作；本发明采用的玉米芯衍生燃料，是通过对玉米芯进行简单的碳化得到，价格低廉、储量丰富且能量密度大，可直接燃烧获得热能，实现热电联产，具有绿色环保、能源转化效率高等优点。

技术领域

本发明涉及直接使用玉米芯衍生燃料的微管式固体氧化物燃料电池，具体涉及一种基于玉米芯衍生燃料的微管式直接碳固体氧化物燃料电池组。

背景技术

农林废弃物的开发利用是我国科学技术发展规划中优先鼓励发展的主题，利用农林废弃物开发新型生物材料和紧缺资源替代物的研究日益受到重视。随着经济的高速发展，能源和资源供应日益紧张，已成为限制我国社会可持续发展的突出问题。为了保护人类赖以生存的自然环境，保护森林资源，有必要充分挖掘农林废弃物的潜在价值，变废为宝，开发多元化产品。我国是玉米生产、消费和出口大国，每年玉米芯的产量高达500万吨，但很大一部分被当作废弃物处理，其潜在价值被完全忽视，造成资源的严重浪费。

玉米芯资源的综合利用属于典型的低碳经济。随着相关领域的发展，国内外采用生物技术和化学技术对玉米芯综合开发利用进行了多领域研究，例如应用于燃料电池，实现可持续能源的高效利用。玉米芯用于燃料电池的开发利用，体现了农业生产系统中废弃物的高效转化，是循环农业和低碳经济的重要体现，也是取之自然、用之自然的良性循环，响应了国家可持续发展的号召。

固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种高效清洁的电化学发电装置，一般由传导氧离子的致密电解质和分别对燃料和氧化剂有电催化作用的多孔阳极和阴极组成，具有燃料使用范围广、易推广且运行费用低等优点。目前，氢气是SOFC使用最普遍的燃料，但氢气是一种二次能源，不能从自然界中直接获得，成本高、体积能量密度低、储存运输安全性差等问题。但是，碳燃料不存在上述问题，其被认为是可以替代氢气的安全性燃料，尤其是运用于高温燃料电池。与氢气相比，碳的能量密度高、价格低廉、来源广泛，而且没有储存和运输的安全问题。因此，直接碳固体氧化物燃料电池（DC-SOFC）受到了越来越多的重视。

DC-SOFC的结构非常简单，其核心部件是由具有较高氧离子导电率的陶瓷电解质、钙钛矿氧化物阴极和金属陶瓷阳极构成的SOFC，碳燃料置于阳极室，通过向阴极提供氧气，氧分子在阴极的电催化作用下转变成氧离子O^2-，氧离子通过电解质传递到阳极，与扩散到阳极的CO反应生成CO₂并给出电子，即电化学氧化反应

CO+O^2-=CO₂+2e^-

这些CO₂扩散到碳燃料表面，与其发生Boudouard反应

CO₂+C=2CO

生成的CO扩散到阳极，通过电化学氧化反应产生电流。如此反复循环，就实现了电化学方式消耗固体碳燃料而发电的目的。

DC-SOFC除具有SOFC的优点外，还有动力学过程快、燃料利用率高、全固态结构等独特优势，具有广阔的应用前景。首先，它是一种潜在的高效洁净煤和生物质发电技术，而且其发电过程不需要水；其次，DC-SOFC中碳燃料的理论最大容量(8935 mAh g^-1)是典型的锂离子电池中碳负极材料理论容量（372 mAh g^-1）的24倍，可望将DC-SOFC开发成一种高性能、低成本的蓄电池；最后，DC-SOFC的开发有望促进我国稀土产业发展，并带动新型材料产业的形成和传统陶瓷产业的升级换代。