采用含碳垃圾作为SOFC燃料的发电方法及装置

摘要

采用含碳垃圾作为SOFC燃料的发电方法及装置，它涉及一种采用含碳垃圾作为燃料的发电方法及装置。本发明是为了解决现有SOFC中作为燃料的氢气价格昂贵的技术问题。发电方法如下：将含碳垃圾加入燃料管4中，含碳垃圾与氧气反应生成二氧化碳，二氧化碳再与含碳垃圾反应生成一氧化碳，一氧化碳与电解质层2传递过来的氧离子反应生成二氧化碳并失去电子，一氧化碳失去的电子通过导线由阳极3流入阴极1，形成电流回路。本发明装置包括阴极1、电解质层2、阳极3、燃料管4和密封胶塞5。本发明实现了SOFC的无成本运行。本发明属于利用含碳垃圾发电领域。

说明书

技术领域

本发明涉及一种采用含碳垃圾作为燃料的发电方法及装置。

背景技术

固体氧化物燃料电池（SOFC），是一种能源转换装置，它能够把燃料如氢气中的化学 能直接转化为电能，不受卡诺循环的限制，因此具有较高能源转换率。通常SOFC的能源 转换率可达到60%，如果采用热电联供方式，能源转换率可达到80%，是普通火力发电 的2～3倍。除此之外，SOFC还是一个洁净能源系统。SOFC的传统燃料是氢气，系统的 最终反应产物是水，可以供人类直接饮用。进入21世纪，当人类面临严峻的能源和环境 问题时，SOFC的优势更加凸显，它的大规模开发利用也备受关注。但是，迄今为止SOFC 仍旧没有实现商业化。其中一个主要原因就是运行成本较高，输出电力与传统火电相比没 有价格优势。SOFC的运行成本，绝大部分来源于燃料，因为SOFC各个部件都是全陶瓷 结构，在运行过程中没有任何消耗和损失，理论上讲，如果保证燃料持续供给，SOFC就 可以源源不断地提供电力输出。作为燃料氢气不仅价格昂贵，并且产量低，不易运输，不 易储存，因此，寻找低成本替代燃料成为当下SOFC的研发思路。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有SOFC中作为燃料的氢气价格昂贵的技术问题，提供了 一种采用含碳垃圾作为SOFC燃料的发电方法及装置。

采用含碳垃圾作为SOFC燃料的发电方法如下：

将含碳垃圾加入采用含碳垃圾作为SOFC燃料的发电装置的燃料管4中，燃料管4 中的含碳垃圾首先与反应腔6内的残留的氧气反应生成二氧化碳，二氧化碳再与燃料管4 中的含碳垃圾反应生成一氧化碳，生成的一氧化碳吸附在固体氧化物燃料电池阳极3的表 面，一氧化碳与电解质层2传递的氧离子反应生成二氧化碳同时失去电子，一氧化碳失去 的电子通过导线由阳极3流入阴极1，形成电流给用电设备7供电，其中在发电的过程中 持续从燃料管4的一端向其内部加入含碳垃圾。

所述的含碳垃圾是树叶、树枝、树皮、树根、锯末、秸秆、桔梗、煤炭、煤灰、原煤 或焦炭。

其电池的运行原理依靠如下三个反应：

C(含碳垃圾中固态碳)+O₂(反应腔6内残留氧气)→CO₂(气态)

CO(气态)+O^2-(电解质与电极界面)→CO₂(气态)+2e^-

所述采用含碳垃圾作为SOFC燃料的发电装置第一种技术方案包括阴极1、电解质层 2、阳极3、燃料管4和密封胶塞5，其特征在于所述阳极3为底端封闭的管状，密封胶塞 5插在阳极3的开口端将阳极3封闭，所述的燃料管4位于密封胶塞5与阳极3所形成的 反应腔6的内部，燃料管4的两端穿出密封胶塞5，所述的燃料管4的管体上开有过气孔； 阳极的外表面上蒙覆一层电解质层2，电解质层2的外表面蒙覆阴极1。

所述采用含碳垃圾作为SOFC燃料的发电装置第二种技术方案包括阴极1、电解质层 2、阳极3、燃料管4、密封胶塞5和陶瓷管8，其特征在于片状的阳极3的一个表面固定 在陶瓷管8的一端并将该端部封闭，密封胶塞5插在陶瓷管8的开口端将陶瓷管8封闭， 所述的燃料管4位于密封胶塞5与陶瓷管8所形成的反应腔6的内部，燃料管4的两端穿 出密封胶塞5，所述的燃料管4的管体上开有过气孔；阳极3的另一表面上蒙覆一层电解 质层2，电解质层2的一个表面与阳极3相连，电解质层2的另一表面蒙覆阴极1。

所述燃料管4的形状为U型。

所述燃料管4U型的底部盘曲成螺旋状。

本发明实现了SOFC的无成本运行，即SOFC的工作所需燃料来源于我们日常生活中 的含碳垃圾，如树叶，树枝，木屑，麦梗等等。

附图说明

图1是采用含碳垃圾作为SOFC燃料的发电装置的结构图；

图2是采用含碳垃圾作为SOFC燃料的发电装置的结构图；

图3是U型的底部盘曲成螺旋状的燃料管4的结构图；

图4是实验一中将柳树叶直接作为燃料的SOFC在700、750和800℃下的输出性能， 图中-■-表示柳树叶作为燃料SOFC在700℃下的I-V曲线，-□-表示柳叶作为燃料SOFC 在700℃下的I-P曲线，-●-表示柳树叶作为燃料SOFC在750℃下的I-V曲线，-○-表示柳 叶作为燃料SOFC在750℃下的I-P曲线，-★-表示柳树叶作为燃料SOFC在800℃下的 I-V曲线，-☆-表示柳叶作为燃料SOFC在800℃下的I-P曲线。

具体实施方式

本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意 组合。

具体实施方式一：本实施方式采用含碳垃圾作为SOFC燃料的发电方法如下：

将含碳垃圾加入采用含碳垃圾作为SOFC燃料的发电装置的燃料管4中，燃料管4 中的含碳垃圾首先与反应腔6内的残留的氧气反应生成二氧化碳，二氧化碳再与燃料管4 中的含碳垃圾反应生成一氧化碳，生成的一氧化碳吸附在固体氧化物燃料电池阳极3的表 面，一氧化碳与电解质层2传递的氧离子反应生成二氧化碳同时失去电子，一氧化碳失去 的电子通过导线由阳极3流入阴极1，形成电流给用电设备7供电，其中在发电的过程中 持续从燃料管4的一端向其内部加入含碳垃圾。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是所述的含碳垃圾是树叶、树 枝、树皮、树根、锯末、秸秆、桔梗、煤炭、煤灰、原煤或焦炭。其它与具体实施方式一 相同。

具体实施方式三：结合图2，具体实施方式一所述采用含碳垃圾作为SOFC燃料的发 电装置包括阴极1、电解质层2、阳极3、燃料管4和密封胶塞5，其特征在于所述阳极3 为底端封闭的管状，密封胶塞5插在阳极3的开口端将阳极3封闭，所述的燃料管4位于 密封胶塞5与阳极3所形成的反应腔6的内部，燃料管4的两端穿出密封胶塞5，所述的 燃料管4的管体上开有过气孔；阳极的外表面上蒙覆一层电解质层2，电解质层2的外表 面蒙覆阴极1。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式三不同的是所述燃料管4的形状为U 型。其它与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式三或四不同的是所述燃料管4U型的底 部盘曲成螺旋状。其它与具体实施方式三或四相同。

具体实施方式六：结合图1，具体实施方式一所述采用含碳垃圾作为SOFC燃料的发 电装置包括阴极1、电解质层2、阳极3、燃料管4、密封胶塞5和陶瓷管8，其特征在于 片状的阳极3的一个表面固定在陶瓷管8的一端并将该端部封闭，密封胶塞5插在陶瓷管 8的开口端将陶瓷管8封闭，所述的燃料管4位于密封胶塞5与陶瓷管8所形成的反应腔 6的内部，燃料管4的两端穿出密封胶塞5，所述的燃料管4的管体上开有过气孔；阳极 3的另一表面上蒙覆一层电解质层2，电解质层2的一个表面与阳极3相连，电解质层2 的另一表面蒙覆阴极1。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式六不同的是所述燃料管4的形状为U 型。其它与具体实施方式六相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式六或七不同的是所述燃料管4U型的底 部盘曲成螺旋状。其它与具体实施方式六或七相同。

采用下述实验验证本发明效果：

实验一：结合图1，采用含碳垃圾作为SOFC燃料的发电方法如下：

一、配制混合硝酸盐水溶液：向硝酸镧、硝酸锶、硝酸铬、硝酸锰和硝酸镍的混合物 中加入去离子水，以400r/min的搅拌速率搅拌15min，加入尿素，尿素与金属离子摩尔比 为2:1，以400r/min的搅拌速率搅拌10min，得到La_0.75Sr_0.25Cr_0.5Mn_0.5(NO₃)_x和Ni(NO₃)₂的前驱体溶液；其中，硝酸镧、硝酸锶、硝酸铬、硝酸锰与硝酸镍的物质的量的比为0.75: 0.25:0.5:0.5:0.2，La_0.75Sr_0.25Cr_0.5Mn_0.5(NO₃)_x和Ni(NO₃)₂的前驱体溶液中Mn离子的摩 尔浓度为0.25mol/L；

二、制备多孔阳极支撑体：将电解质YSZ与有机造孔剂木薯粉按照5:3的质量比混 合后在玛瑙研钵中研磨5小时，得到均匀粉体，将0.25g粉体均匀撒入Φ13模具中，在 300MPa压力下成型，再在1000℃预烧2小时，得到坯体；

三、制备多孔阳极及电解质薄膜：将电解质YSZ粉在玛瑙研钵中研磨2小时后加入 粘结剂（松油醇和乙基纤维素组成，松油醇和乙基纤维素的质量比为7﹕3），电解质YSZ 粉与粘结剂（松油醇和乙基纤维素组成，松油醇和乙基纤维素的质量比为7﹕3）质量比 为7﹕3，再混合研磨3小时，形成电解质浆料，将电解质浆料利用旋涂工艺涂覆到步骤 二的坯体上，在1400℃煅烧4小时，得到多孔阳极支撑体和致密YSZ电解质层2；

四、浸渍：将步骤一中配制的La_0.75Sr_0.25Cr_0.5Mn_0.5(NO₃)_x和Ni(NO₃)₂的前驱体溶液滴 注到多孔支撑体表面，利用孔隙中的毛细力将溶液引入到多孔基底中，在300℃烘烤30 分钟后，形成金属氧化物，重复上述过程30次后，在1200℃烧结2小时，得到阳极3；

五、制备电池阴极：按照化学式La_0.8Sr_0.2O₃中的计量比将所需金属硝酸盐称量后溶 于去离子水中，配成浓度为1mol/L的硝酸盐溶液，甘氨酸和柠檬酸（摩尔比为1:1）按照 2倍于金属离子（摩尔比）的量加入硝酸盐溶液中，在室温下搅拌15分钟，然后在80℃ 水浴锅中持续搅拌直至水蒸干形成凝胶，将凝胶在200℃烘箱中烘干膨胀后，在1000℃烧 结2小时成相，成相后的粉体在玛瑙研钵中研磨2小时后加入粘结剂（松油醇和乙基纤维 素组成，松油醇和乙基纤维素的质量比为7﹕3），持续研磨2小时形成阴极浆料，最后将 其涂覆在阳极支撑体光滑电解质薄膜YSZ表面，在1100℃烧结2小时，形成多孔阴极1；

六、电池测试：利用银膏将片状的阳极3固定在陶瓷管8的一端并将该端部封闭，在 200℃烘干30分钟，将收集的柳树叶在80℃焙干10分钟后搓碎，然后将碎的树叶加入 燃料管4中，密封胶塞5插在陶瓷管8的开口端将陶瓷管8封闭，所述的燃料管4位于密 封胶塞5与陶瓷管8所形成的反应腔6的内部，燃料管4的两端穿出密封胶塞5，所述的 燃料管4的管体上开有过气孔；阳极的外表面上蒙覆一层电解质层2，电解质层2的外表 面蒙覆阴极1；电池测试采用四电极法，阳极3和阴极1分别用银膏粘连四条银丝，作为 导线，并将引入的四根银丝与仪器相连，将电池端放入电炉中，电炉升温，对电池进行检 测。测试仪器采用SI 1287电化学工作界面和SI 1260阻抗分析仪。

从图4可以看出以柳树叶作为燃料的SOFC在700、750和800℃下的输出性能，在 800℃电池的输出最大功率密度已经达到350mW cm^-2。