一種陰極進氣可反饋控制的直接碳燃料電池及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及直接碳燃料電池制備領(lǐng)域，具體涉及一種陰極進氣可反饋控制的直接碳燃料電池及其控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]燃料電池(fuel cells，F(xiàn)Cs)是繼火電、水電和核電之后的第4代發(fā)電技術(shù)，它是唯一兼?zhèn)錈o污染、高效率、適用廣、無噪聲和具有連續(xù)工作和模塊化特點的動力裝置，被認為是21世紀最有發(fā)展前景的高效清潔發(fā)電技術(shù)。作為燃料電池的一種，直接碳燃料電池DCFC可以采用石墨、活性炭、煤焦炭、生物質(zhì)焦炭等為燃料，碳(碳的衍生物)和氧氣經(jīng)過電化學反應，不須氣化直接產(chǎn)生電能，它具有能量轉(zhuǎn)化效率高、清潔、燃料適應性廣的特點。直接碳燃料電池的工作溫度在400?1000°C之間。
[0003]直接碳燃料電池以碳為燃料，與其他燃料電池相比，每升氧氣氧化的碳(燃料)會放出更多的能量(20kWh/L)，而氫氣為2.4kWh/L，甲烷為4.2kWh/L。在標準狀態(tài)下，C+02 — C02反應的熵變(Δ S)接近0，焓變與吉布斯自由能的變化幾乎相等，故DCFC理論效率可達100% ;電池反應生成的氣體僅是CO:便于回收，能緩解溫室效應。
[0004]目前國內(nèi)外很多學者和專家采用了流化床對陽極板倉的碳顆粒進行流態(tài)化，促進其與電解質(zhì)的充分接觸，從而降低電池的濃差極化，對于陰極混合氣體的動態(tài)流量控制鮮有研究。
[0005]Gur將流化床電極與固體氧化物DCFC相結(jié)合，形成了流化床電極直接碳燃料電池，電池采用He作為介質(zhì)來實現(xiàn)碳顆粒的流態(tài)化，以促進其與陽極集流器接觸，從而降低了電池的濃差極化。并對不同規(guī)模該類型電池的進行了測試，小型裝置的輸出功率密度很低，尚不足2mW/cm2。
[0006]東南大學仲兆平在專利200510041047.3中提出了一種流化床電極直接炭燃料電池方法及轉(zhuǎn)化裝置，提出將陰極和陽極用微孔金屬隔板分隔并形成三相流化床，以碳酸鹽為電解質(zhì)，以鎳粉或鎳鉻合金為催化劑，將二氧化碳氣體通入陽極，將二氧化碳、空氣的混合氣體通入陰極，底部通流化氣體，發(fā)明提高了電流密度。該發(fā)明第一流化氣體未形成氣體循環(huán)，造成了浪費，第二是陰極流化氣體為二氧化碳和空氣的混合氣體，在高溫時，炭與C02反應生成CO，且CO的比例成分可達85%以上，消耗的炭無法產(chǎn)生電子。
[0007]清華大學史翊翔在專利201110217478.6中提出了一種流化床電極直接碳燃料電池裝置，該發(fā)明在固體氧化物直接碳燃料電池基礎(chǔ)上，向固體碳燃料中添加導體催化劑，使得碳的直接化學反應從二維拓展為三維，促進碳的氣化反應，從而提高電池性能，進一步增強了電極內(nèi)的傳熱和傳質(zhì)。該發(fā)明基于固體氧化物碳燃料電池，進行了流化床電極的設計，進氣控制只限于陽極，且混合氣體無法動態(tài)控制。
[0008]上述文獻中分別提到了不同的流化床電極碳燃料電池裝置，各有其缺陷，主要的問題是陰極進氣中氧氣流量的變化會直接影響電池的相關(guān)性能。龐永梅等在直接碳燃料電池性能研究中提出:高氧氣流量可以提高陰極反應速度，但流量過大時，會加快陰極氧化腐蝕，反而不利于氧氣的還原，因而在特定溫度下，氧氣的流量在一定特定的范圍內(nèi)，電池的性能可以達到最優(yōu)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]為了提高電池的工作效率，提高電池的綜合性能，本發(fā)明提供了一種陰極進氣可反饋控制的直接碳燃料電池反應裝置，從而更好地提高陰極反應速度，提高導電性能，達到最優(yōu)化控制。
[0010]本發(fā)明的一個目的在于提供一種陰極進氣可反饋控制的直接碳燃料電池。
[0011]本發(fā)明的陰極進氣可反饋控制的直接碳燃料電池包括:反應裝置、陽極板倉、陰極板倉、陽極、陰極、陽極集流板、陰極集流板、電流表、微孔隔板、電解質(zhì)、碳燃料以及可控流量系統(tǒng)；其中，在反應裝置內(nèi)盛放電解質(zhì)；筒狀的陽極板倉和陰極板倉分別設置在反應裝置的底部；陽極和陰極分別放置在陽極板倉和陰極板倉內(nèi)；具有孔洞的陽極集流板和陰極集流板分別從反應裝置的頂部穿入并伸入到陽極板倉和陰極板倉中；陽極集流板和陰極集流板分別連接至電流表；在陽極板倉和陰極板倉之間設置微孔隔板；在陽極板倉內(nèi)放置碳燃料；在反應裝置的底部并位于陰極板倉內(nèi)設置陰極進氣口，在反應裝置的頂部并與陰極進氣口相對的位置設置陰極出氣口，在陰極進氣口和出氣口之間設置可控流量系統(tǒng)；可控流量系統(tǒng)包括電子控制單元、電磁閥、節(jié)氣片、陰極管道和空氣循環(huán)裝置，其中，陰極管道的兩端分別連接陰極進氣口和陰極出氣口 ；在陰極管道上設置空氣循環(huán)裝置；在空氣循環(huán)裝置內(nèi)部設置節(jié)氣片；電流表連接至電子控制單元；電子控制單元連接至電磁閥；電磁閥連接至節(jié)氣片。
[0012]在反應裝置的底部并位于陽極板倉內(nèi)設置陽極進氣口，在反應裝置的頂部并與陽極進氣口相對的位置設置陽極出氣口，陽極進氣從陽極進氣口輸入，陽極進氣為C02、隊和惰性氣體的混合氣體，混合通入到陽極板倉的底部，形成湍流，使碳燃料流態(tài)化，增大反應比面積。陰極管道通過陰極進氣口輸入陰極進氣，陰極進氣采用氧氣和水汽的混合氣體，或者空氣和水汽的混合氣體，其中，水汽的濃度在35?50%之間，氧氣的濃度在50?65%之間。摻混較大濃度的水汽可以有效保證氧氣的濕度，增大逆反應過程，防止OH-離子的消耗。
[0013]在空氣循環(huán)裝置中設置節(jié)氣片，通過改變節(jié)氣片的位置，從而實現(xiàn)陰極進氣的流量的變化。節(jié)氣片放置在空氣循環(huán)裝置的出口端內(nèi)，節(jié)氣片上設置有位置傳感器，位置傳感器連接至電磁閥，通過接收電池閥的指令，調(diào)節(jié)位置傳感器，控制節(jié)氣片的開啟角度，從而調(diào)節(jié)流量的大小。節(jié)氣片為片狀，外邊緣形狀與空氣循環(huán)裝置的出口端的內(nèi)壁的形狀一致，節(jié)氣片的直徑比出口端的內(nèi)壁的直徑小I?2cm。節(jié)氣片選用耐磨性能好的材料，如不易被腐蝕的93% AL2O3陶瓷基片或聚酰亞胺薄膜。
[0014]在實際工作中，當溫度增加到工作溫度時，直接碳燃料電池處于反應階段，陽極進氣口不斷地通入0)2的混合氣體，陰極進氣口通過可控流量系統(tǒng)不斷地輸入氧氣和水汽混合氣體，陰極集流板和陽極集流板將產(chǎn)生的電流收集，并在電流表中顯示；電流表的電流密度值輸入到電子控制單元；電子控制單元ECU存儲了當前工作溫度下的電流密度參考值，ECU將電流表給出的電流密度值與參考值進行對比計算，計算得出修正參數(shù)并發(fā)出指令到電磁閥；電磁閥根據(jù)ECU指令控制節(jié)氣片的位置，從而實現(xiàn)陰極進氣的流量的變化。
[0015]本發(fā)明的直接碳燃料電池的陰極為鎳鑭復合材料陰極，包括兩種材料，第一種材料為鎳，第二種材料為鑭系金屬或氧化鑭La2O3；鑭系金屬采用鑭、鋪、鐠、釹、钷、釤、銪、令L、鋪、鏑、鈥、鉺、鎊、鐿和镥中的一種；其中，第一種材料鎳的摩爾百分含量占85?93%，第二種材料的摩爾百分含量占7?15%。陰極中鑭提高了陰極的氧吸附離解能力和還原催化活性，并提高了陰極氧離子的電導率，增加了電極反應三相界面。在陰極中添加高氧離子電導的La可使陰極在高溫下成為電子-離子混合導體；另外，陰極中的La有助于增大Ni陰極表面氧化膜的電子電導率，使陰極表面電阻降低，從而使得DCFC輸出性能提高。Ni陰極表面會在熔融堿及熔融碳酸鹽電解質(zhì)中氧化為電導率很低的P型半導體N1。鎳鑭復合材料陰極為非平面狀的多維立體形狀，剖面曲線為三角波形、鋸齒波形、正旋波形、矩形波形和瓦楞狀中的一種，這種多維立體形狀，增加了空間利用率。
[0016]本發(fā)明的鎳鑭復合材料陰極加工成非晶態(tài)和納米晶薄膜材料，用于直接碳燃料電池；采用鎳粉或鎳鉻合金粉為催化劑；微孔隔板采用鎳或鎳鉻合金；碳燃料采用石墨、炭黑、焦炭和煤中的一種或多種。
[0017]電解質(zhì)采用KOH和NaOH的混合溶液，相比單電解質(zhì)而言，混合溶液的電池性能更為優(yōu)良，電池的開路電壓、電流密度都明顯較大，輸出更加穩(wěn)定。
[0018]本發(fā)明基于以下原理實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化:
[0019]以共晶熔融氫氧化物混合物為電解液，固體碳燃料作為陽極，發(fā)生氧化反應，釋放電子；氧氣在陰極發(fā)生還原反應，獲得電子；電子從陽極到陰極的轉(zhuǎn)移為外界提供電能，二氧化碳作為唯一的反應產(chǎn)物釋放出來?；瘜W反應式如下:
[0020]陽極反應:C+40H= CO 2+2H20+4e
[0021]陰極反應:02+2H20+4e_= 40H
[0022]總反應式:C+02=CO 2。
[0023]本發(fā)明的一個目的在于提供一種陰極進氣可反饋控制的直接碳燃料電池的控制方法。
[0024]本發(fā)明的陰極進氣可反饋控制的直接碳燃料電池的控制方法，包括以下步驟:
[0025]I)對反應裝置進行加熱，達到工作溫度；
[0026]2)陽極進氣口不斷地通入陽極進氣，陰極進氣口通過可控流量系統(tǒng)不斷地輸入陰極進氣；
[0027]3)當溫度達到工作溫度時，直接碳燃料電池處于反應階段，陽極發(fā)生氧化反應，釋放電子，陰極發(fā)生還原反應，獲得電子；
[0028]4)陰極集流板和陽極集流板將產(chǎn)生的電流收集，并在電流表中顯示；
[0029]5)電流表中的電流密度值輸入到電子控制單元；
[0030]6)電子控制單元ECU存儲了