用于碳燃料電池的活化煤焦粉體的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及燃料電池，具體屬于一種用于固體氧化物碳燃料電池的活化煤焦粉體的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]煤是一種儲(chǔ)量豐富、價(jià)格低廉的化石能源。未來幾十年內(nèi)，煤在全球能源格局中的主導(dǎo)地位將不會(huì)改變，煤電將依然是最主要的電力來源。中國(guó)的煤炭?jī)?chǔ)量居世界第三位，約70%的電力來自煤電。然而，傳統(tǒng)的燃煤火力發(fā)電技術(shù)能量轉(zhuǎn)換效率低(30?35%)，溫室氣體和污染物排放量大，導(dǎo)致氣候變暖和環(huán)境污染，威脅人類的可持續(xù)發(fā)展。因此，研宄開發(fā)清潔、高效的新一代煤基發(fā)電技術(shù)已成為當(dāng)務(wù)之急。
[0003]燃料電池是一種通過電化學(xué)反應(yīng)直接將燃料的化學(xué)能高效、清潔地轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)換裝置。固體氧化物燃料電池(solid oxide fuel cell, S0FC)是一種以能傳導(dǎo)氧負(fù)離子的固體氧化物為電解質(zhì)的全固態(tài)燃料電池，具有能量轉(zhuǎn)換效率高(60?80% )、排放低和燃料適應(yīng)性廣等優(yōu)勢(shì)，是目前國(guó)際上的研發(fā)熱點(diǎn)和主流技術(shù)之一。煤炭作為固態(tài)燃料，較之H2、天然氣等氣體燃料和液體石化燃料，具有能量密度高，儲(chǔ)運(yùn)方便，安全系數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)。利用SOFC技術(shù)將煤基燃料直接轉(zhuǎn)化為電能，是實(shí)現(xiàn)煤炭資源高效、清潔利用的一條有效途徑。
[0004]煤的直接電化學(xué)轉(zhuǎn)換發(fā)電的探索可遠(yuǎn)溯至19世紀(jì)中葉。1855年，Bacquerelle進(jìn)行了最早的熔融KNO3電解質(zhì)的直接碳燃料電池嘗試。1896年，WiIIiam ff.Jacques研制成功世界上第一個(gè)直接碳燃料電池。它是由百余個(gè)單電池構(gòu)成的電池堆，以焙燒過的煤制成碳棒，作為陽極，熔融NaOH為電解質(zhì)，鐵桶為陰極，可輸出電壓0.9伏、功率1.5kW的電力。上世紀(jì)70年代以來，特別是進(jìn)入21世紀(jì)后，沉寂多年的碳燃料電池重新得到了重視，并取得了快速發(fā)展。目前，碳燃料電池主要包括以恪融碳酸鹽(molten carbonate fuelcell，MCFC)或熔融堿金屬氫氧化物為電解質(zhì)的熔融鹽燃料電池和S0FC，以及采用固體氧化物和熔融碳酸鹽(或熔融金屬)雙重電解質(zhì)的復(fù)合型碳燃料電池。MCFC存在著因熔融電解質(zhì)的揮發(fā)性、腐蝕性和易泄漏帶來的隱患和不足。SOFC以其全固態(tài)結(jié)構(gòu)，無MCFC的上述缺陷而得到廣泛重視和快速發(fā)展。
[0005]煤等原碳燃料在用于SOFC之前，對(duì)其進(jìn)行必要的預(yù)處理是關(guān)系SOFC性能的一個(gè)極為重要的方面。原煤是一種組成復(fù)雜的混合物，含有大量揮發(fā)性組分，特別是其中的硫會(huì)毒化SOFC的鎳基陽極催化劑。因此，直接以原煤為燃料的燃料電池的研宄工作報(bào)道極少。近來，澳大利亞昆士蘭大學(xué)的Zhonghua Zhu等報(bào)道了以原煤為燃料的MCFC的研宄結(jié)果(Evaluat1n of raw coals as fuels for direct carbon fuel cells.Journalof Power Sources, 2010，195，4051 - 8.) 0盡管Zhu等肯定了原煤用作MCFC燃料的可行性，但最后仍強(qiáng)調(diào)應(yīng)對(duì)原煤進(jìn)行適當(dāng)預(yù)處理以獲得適用性更好的DCFC燃料。美國(guó)斯坦福大學(xué)的Turgut Μ^?ι*等報(bào)道了通過煤的干法氣化供應(yīng)燃料的SOFC的研究結(jié)果(Highperformance solid oxide fuel cell operating on dry gasified coal.Journal ofPower Sources, 2010, 195，1085 - 90.),實(shí)際上煤在進(jìn)入流化床氣化之前已被高溫?zé)峤忸A(yù)處理過了。工業(yè)化批量生產(chǎn)的焦炭，具有較原煤潔凈，較活性碳、炭黑等價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn)，但迄今為止直接以工業(yè)焦炭作為SOFC燃料的報(bào)道仍屬鮮見。我們的研宄表明，在SOFC的中溫運(yùn)行條件下，焦炭的CO2反應(yīng)性一般較低，導(dǎo)致直接以焦炭為燃料的SOFC的輸出性能較低，有必要對(duì)工業(yè)焦炭進(jìn)行活化處理，提高其Boudouard反應(yīng)性，以更好地滿足SOFC的應(yīng)用要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種用于固體氧化物碳燃料電池的活化煤焦粉體的制備方法。具體以工業(yè)焦炭為原料，通過KOH活化處理，提高其Boudouard反應(yīng)性。本方法制備的活化煤焦粉體，能顯著提高固體氧化物碳燃料電池的輸出性能。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案為:一種用于固體氧化物碳燃料電池的活化煤焦粉體的制備方法，包括如下步驟:
[0008](I)取工業(yè)焦炭進(jìn)行破碎研磨，將其過80?200目標(biāo)準(zhǔn)篩，得到粒徑較小的焦炭顆粒;
[0009](2)按質(zhì)量比1:1?6取上述焦炭顆粒和Κ0Η，將KOH倒入耐堿金屬坩禍中，加入去離子水，攪拌，配制KOH飽和溶液；冷卻后，在攪拌下將上述焦炭顆粒加入飽和KOH溶液中，直至焦炭顆粒完全浸入KOH溶液中后，將耐堿金屬坩禍放入110°C烘箱內(nèi)干燥8?24h ;之后將其放入氣氛爐中，在惰性氣氛下，以5°C /min的速率升溫到300?400°C，保溫0.5?1.5h，然后以相同的速率升溫到700?900°C，保溫I?2h，自然冷卻至室溫，依次用0.lmol/L稀鹽酸溶液和蒸餾水洗滌至中性，然后在烘箱內(nèi)于105?115°C干燥2h，得到活化煤焦粉體。
[0010]所述的焦炭顆粒和KOH的質(zhì)量比優(yōu)選為1:2?5。
[0011]所述的活化溫度優(yōu)選為750?850°C。
[0012]所述的焦炭顆粒的粒徑優(yōu)選為100?150目。
[0013]所述的惰性氣氛為氮?dú)饣驓鍤鈿夥铡?br>[0014]所述的工業(yè)焦炭為冶金焦或氣化焦。
[0015]本發(fā)明方法制備得到的活化煤焦粉體能顯著提高固體氧化物碳燃料電池的輸出性能。能在固體氧化物燃料電池的中等運(yùn)行溫度下(850°C)，在陽極室內(nèi)轉(zhuǎn)化為CO，進(jìn)而在陽極發(fā)生電化學(xué)氧化。
[0016]燃料電池采用陽極支撐構(gòu)型，活化煤焦粉體置于陽極室內(nèi)。電池的電解質(zhì)采用釔穩(wěn)定的氧化錯(cuò)(yttria-stabilized zirconia，YSZ)，陽極采用N1-YSZ金屬陶瓷，陰極采用La0 8Sr0.2Μη3_ δ (LSM)。
[0017]本發(fā)明的有益效果如下:
[0018](I)本發(fā)明通過KOH化學(xué)活化處理，能顯著提高煤焦的Boudouard反應(yīng)性。以活化煤焦粉體為燃料的SOFC的輸出性能得到顯著提高。
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