[发明专利]一种基于熔融碳酸盐与固体氧化物复合电解质的燃料电池及其应用

说明书

本发明公开了一种基于熔融碳酸盐与固体氧化物复合电解质的燃料电池，包括阴极层、复合电解质层以及阳极层；其中，复合电解质层由碳酸根离子传输层和氧离子传输层组成；碳酸根离子传输层为钐掺杂氧化铈‑碳酸盐电解质层，氧离子传输层为钐掺杂氧化铈。本发明还公开了上述基于熔融碳酸盐与固体氧化物复合电解质的燃料电池在分离一氧化碳和二氧化碳方面的应用。本发明燃料电池通过将熔融碳酸盐燃料电池与固态氧化物燃料电池结合，在形成复合燃料电池发电技术的基础上，实现了一氧化碳和二氧化碳的分离；本发明燃料电池对未来清洁能源的使用以及一氧化碳和二氧化碳的分离都具有重要的意义，具有广阔的市场应用价值。

技术领域

本发明涉及一种基于熔融碳酸盐与固体氧化物复合电解质的燃料电池，还涉及上述燃料电池在分离一氧化碳和二氧化碳方面的应用。

背景技术

燃料电池是清洁、高效的发电装置，在燃料电池系统中，固体氧化物燃料电池(SOFC)具有固态结构、无需贵金属催化剂、燃料选择范围宽等优点，近年来受到广泛的关注。此外，熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)是由多孔陶瓷阴极、多孔陶瓷电解质隔膜、多孔金属阳极、金属极板构成的燃料电池。上述两种燃料电池技术都存在一定的缺点导致其商业化发展缓慢，如SOFC技术需要在高温条件下运行，导致密封工艺困难，材料选择范围窄，电极与电解质在高温条件下易反应等，MCFC缺点在于其使用寿命不高、电池结构较为复杂。

发明内容

发明目的：本发明针对现有技术中单一的固体氧化物燃料电池和熔融碳酸盐燃料电池存在的功能单一的问题，提供一种既能发电又能实现一氧化碳、二氧化碳分离的复合燃料电池。

技术方案：本发明所述的基于熔融碳酸盐与固体氧化物复合电解质的燃料电池，所述燃料电池包括阴极层、复合电解质层以及阳极层；其中，复合电解质层由碳酸根离子传输层和氧离子传输层组成。

其中，碳酸根离子传输层为钐掺杂氧化铈-碳酸盐电解质层，氧离子传输层为钐掺杂氧化铈。

其中，所述阴极层为多孔金属镍；所述阳极层为表面涂有NCAL的泡沫镍。

其中，所述燃料电池还包括金属极板，金属极板分别为阳极极板和阴极极板，阳极极板上设有阳极进气口和阳极出气口，阴极极板上设有阴极进气口和阴极出气口。

其中，所述钐掺杂氧化铈-碳酸盐电解质层采用如下方法制备而成：将碳酸盐通过高温浸渍法进入钐掺杂氧化铈中；具体为：

(1)将碳酸盐和钐掺杂氧化铈按摩尔比1∶1混合，球磨后得到混合粉末物料；

(2)将混合粉末物料加入到聚乙烯醇溶液中，搅拌后得到浆料，用预处理过的有机泡沫浸渍在浆料中，待浆料充满泡沫体时，将含浆料的有机泡沫干燥后得到多孔陶瓷坯体；

以有机泡沫为骨架，浸浆后干燥，经过高温烧结退火处理，有机物燃烧挥发，留下网络结构的陶瓷体，从而得到多孔的碳酸盐和钐掺杂氧化物复合材料；

(3)将多孔陶瓷坯体烧结后得到多孔陶瓷片状材料，再将多孔陶瓷片状材料研磨成纳米级的复合粉末材料，复合粉末材料经过热压后得到钐掺杂氧化铈-碳酸盐电解质层；为进一步制备复合电解质层，将得到的复合多孔陶瓷片状材料充分研磨，获得复合均匀，颗粒为纳米级别的复合粉体材料，所获得的复合粉体材料是碳酸盐和钐掺杂氧化铈的复合材料，该复合材料经过充分研磨后能够获得纳米级的粉体复合材料，粉体复合材料经过热压工艺，可获得致密的电解质功能层，该功能层可传输碳酸根离子，并且可以隔离气体。

其中，步骤(1)中，所述碳酸盐为由Li₂CO₃和K₂CO₃混制而成，碳酸盐中，Li₂CO₃质量百分比为62％，K₂CO₃质量百分比为38％。