一種銻陽極直接碳固體氧化物燃料電池電堆系統(tǒng)及制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于清潔能源的燃料電池領(lǐng)域，更具體地，涉及一種液態(tài)循環(huán)銻陽極管式直接碳固體氧化物燃料電池電堆及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]當(dāng)今社會，能源危機已經(jīng)成為世界性議題。目前廣泛使用的化石能源是不可再生的，而社會的快速發(fā)展導(dǎo)致大量的能源消耗，使此類傳統(tǒng)能源日趨匱乏。同時化石能源的燃燒導(dǎo)致的環(huán)境污染給人類生活帶來了嚴(yán)重危害。人類迫切的需要更先進、效率更高、來源更廣泛且使用更方便的能源技術(shù)。在這樣的背景下，開發(fā)可靠、環(huán)保的能源來源，減輕傳統(tǒng)化石能源的壓力，并采用更清潔的能源技術(shù)已經(jīng)成為全世界的共識。
[0003]固體氧化物燃料電池(簡稱:S0FC)作為一種新型的能量轉(zhuǎn)化裝置，可以應(yīng)對目前所遇到的能源匱乏難題，因而得到了世界很多國家的關(guān)注，越來越多的科技工作者投入了大量的時間和精力從事相關(guān)研究。SOFC是利用化學(xué)反應(yīng)將化石燃料中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能。在能量轉(zhuǎn)化過程中，沒有燃燒過程，也沒有機械過程，因此SOFC具有噪音低，能量轉(zhuǎn)化率高的特點。同時由于發(fā)生反應(yīng)的產(chǎn)物為水，沒有硫化物、氮化物等氣體排出，SOFC具有高效、清潔的特點，是目前公認(rèn)的應(yīng)對能源危機的有效發(fā)電裝置。
[0004]目前而言，固體氧化物燃料電池的燃料主要是氫氣和天然氣，但是氫氣的制備成本較高，儲存安全成本過高；而另一方面，天然氣需要額外的重整設(shè)備來輔助，避免陽極一側(cè)的積碳發(fā)生，陽極一側(cè)積碳或者硫磷毒化均會使得電池陽極(N1/YSZ)發(fā)生不可逆的結(jié)構(gòu)性破壞，最后導(dǎo)致電池電堆發(fā)生失效。就燃料而言，自然界有許多的高含碳的固態(tài)燃料，比如煤碳、石油和生物質(zhì)燃料。這些燃料現(xiàn)在大多以燃燒的方式給人們生活帶來電力和熱量，但是總體而言，它們的燃料利用率較低，而且釋放很多的溫室氣體。更為關(guān)鍵的是，化石燃料的儲存是有限的。所以，尋求一種可以直接利用固態(tài)碳燃料來高效率發(fā)電的技術(shù)是人類社會的迫切需求。
[0005]直接碳固體氧化物燃料電池是一種直接使用固態(tài)碳燃料的清潔能源技術(shù)。氧氣在電池陰極吸附解離成氧離子并傳輸通過電解質(zhì)層到達(dá)陽極與碳原子發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生電能。但是氧離子只存在于電解質(zhì)陽極界面幾十個微米附近，所以顯而易見地，碳原子和氧離子沒有很好的物理化學(xué)接觸，導(dǎo)致電池功率較低。許多研究者采用了很多方法去改進電池的電化學(xué)反應(yīng)，其中采用二氧化碳或者水蒸氣汽化固態(tài)碳燃料產(chǎn)生一氧化碳和氫氣的方法占據(jù)了主流。其次，利用共晶熔融碳酸鹽作為氧離子載體增大固態(tài)碳與碳酸根離子的接觸面積從而實現(xiàn)較高的電化學(xué)速率。
[0006]近來，在工作溫度下呈現(xiàn)液體狀態(tài)的金屬或者合金陽極直接碳固體氧化物燃料電池收到了較大的關(guān)注。低熔點金屬如鉍、鉛、銦、錫銻、銀、及其合金都被用來作為陽極，研究者使用較薄的電解質(zhì)作為支撐體，取得了較高的電池功率。
[0007]但是，目前大多數(shù)液態(tài)金屬或者合金陽極研究者所采用的平板式結(jié)構(gòu)電池面臨著許多的問題:(1)平板式電池集成電堆之后，沒有腔體空間加載固態(tài)燃料；(2)液態(tài)相陽極的存在使得平板式電池根本無法組裝、密封，無法持續(xù)加載燃料；(3)傳統(tǒng)的平板式結(jié)構(gòu)的銻陽極電池存在處理燃料灰燼、殘渣復(fù)雜問題，并且其銻陽極易被毒化污染從而會影響電池性能甚至造成失效。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進需求，本發(fā)明提供了一種銻陽極直接碳固體氧化物燃料電池電堆系統(tǒng)及制備方法，其目的在于，將管狀銻陽極單電池封裝集合成電堆裝置，并依次設(shè)置氧化銻池、燃料池、銻純化裝置，相應(yīng)能實現(xiàn)燃料電池電堆系統(tǒng)直接加載固態(tài)碳燃料，且液態(tài)銻經(jīng)過純化不會發(fā)生被毒化污染的問題，由此解決現(xiàn)有直接碳固體氧化物燃料電池不能持續(xù)加載燃料且存在陽極易被毒化污染的技術(shù)問題。
[0009]為實現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個方面，提供了一種銻陽極直接碳固體氧化物燃料電池電堆系統(tǒng)，其包括電池電堆、氧化銻收集池、燃料池、燃料加載裝置，其中，
[0010]所述電池電堆包括液態(tài)銻陽極，該電池電堆頂部設(shè)置有電池電堆出口，以供電池電堆反應(yīng)中液態(tài)銻生成的氧化銻流出，其底部設(shè)置有供液態(tài)銻流入的電池電堆入口 ；
[0011]所述氧化銻收集池頂部設(shè)置與所述電池電堆出口相連通的氧化銻收集池入口，并其底部設(shè)置有供氧化銻流出的氧化銻收集池出口；
[0012]所述燃料池頂部設(shè)置有燃料加載裝置，該頂部同時還設(shè)置有與所述氧化銻收集池出口相連通的燃料池入口，所述燃料池底部設(shè)置有供被燃料還原獲得的銻流出的燃料池出口，該出口連通所述電池電堆，以將氧化銻被還原后獲得的銻進行再循環(huán)利用。
[0013]進一步的，還包括銻純化裝置，所述銻純化裝置底部兩側(cè)分別設(shè)置有銻純化裝置入口和銻純化裝置出口，所述銻純化裝置入口連通所述燃料池出口，以將經(jīng)燃料還原獲得的銻引入所述銻純化裝置中進行純化處理。
[0014]進一步的，還包括銻儲存器，所述銻儲存器同時設(shè)置有銻儲存器入口和銻儲存器出口，所述銻儲存器入口連通所述銻純化裝置出口，且所述銻儲存器出口連通所述電池電堆。銻儲存器儲存有足量的銻，可以補充系統(tǒng)損耗的銻并且保證持續(xù)不斷的向電池電堆里面輸入足量的液態(tài)銻。
[0015]進一步的，所述氧化銻收集池出口設(shè)置有直接連通電池電堆的通道，用于將從電池電堆中流出的未參入電池反應(yīng)的液態(tài)銻重新導(dǎo)入到電池電堆中。
[0016]進一步的，所述氧化銻收集池出口設(shè)置有分別直接連通所述氧化銻收集池入口和所述燃料池入口的通道，以將可能從底部流出的氧化銻重新送入氧化銻收集池或者燃料池。
[0017]進一步的，所述電池電堆包括電堆腔體和封裝集成在電堆腔體中的多個相互并聯(lián)的單電池，其中，所述單電池呈管狀，所述管狀電池的內(nèi)壁為陰極或者負(fù)載有陰極的陰極支撐體，所述管狀電池的外壁為電解質(zhì)或者電解質(zhì)支撐體，所述管狀電池的陽極位于所述電解質(zhì)表面或者電解質(zhì)支撐體表面；所述電堆腔體的內(nèi)部具有空腔，用于容置作為陽極的液態(tài)銻。
[0018]進一步的，所述電堆腔體外觀呈矩形，該矩形電堆腔體的兩相對側(cè)壁上均設(shè)置有保護氣預(yù)留口，用于經(jīng)一側(cè)的所述保護氣預(yù)留口通入保護液態(tài)銻免被氧化的氣體并經(jīng)另一側(cè)的所述保護氣預(yù)留口排出。
[0019]本發(fā)明將一個復(fù)雜的發(fā)電系統(tǒng)分成各自獨立的幾個部分，分別是:電池電堆，氧化銻收集池，燃料池，銻純化裝置，銻儲存器。每個部分之間通過管道相連，而且之間有開關(guān)以及備用通道，當(dāng)某個部分發(fā)生故障需要更換或者維修時，可開啟備用通道依然可以保證正常發(fā)電。
[0020]本發(fā)明將液態(tài)銻陽極固體氧化物燃料電池電堆發(fā)電系統(tǒng)的電堆發(fā)電和陽極銻還原循環(huán)利用兩個核心部分進行了機構(gòu)分割，簡化了系統(tǒng)的工作方式，使得系統(tǒng)整體變得簡單，適用性和可靠性更高。陽極銻還原循環(huán)利用與燃料池的電堆發(fā)電相獨立，方便燃料加載和清潔殘余垃圾。循環(huán)利用的銻經(jīng)過純化處理，電池電堆不易被毒化污染。
[0021]按照本發(fā)明的另一方面，還提供了一種制備如上所述的燃料電池電堆系統(tǒng)的方法，其特征在于，其包括如下步驟:
[0022]S1:制備電堆腔體，并在預(yù)留位置設(shè)置陽極集流裝置和陰極集流裝置，將多個單電池集成封裝在電堆腔體上，獲得電堆中間體，向電堆中間體中加入金屬銻粉末；