專利名稱：一種直碳燃料電池的自催化碳燃料的制備技術的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種直碳燃料電池領域，特別涉及一種直碳燃料電池的自催化碳燃料的制備技術。
背景技術：
直碳燃料電池是一種將化學能量轉化為電能的裝置。它以碳為原料，直接將碳的化學能轉化為電能；而不是應用傳統的工藝通過碳的燃燒將其化學能轉化為熱能，再通過汽輪機將熱能轉化為機械能，進而帶動發電機生成電能。因為不經歷熱能的轉化，因此沒有卡諾循環對效率上限的約束。理論上，直碳燃料電池的發電效率能達到100%，這與現有的火力發電30%左右的效率相比，可以說是革命性的提高。另外，由于煤炭是固體，氧化產物是CO2氣體，直碳燃料電池的設計有利于兩者的分離和CO2氣體的回收，從而達到減排甚至零排放CO2溫室氣體的效果。進入新世紀以來，隨著太陽能，生物質能，風能等新型能源和可再生能源研究的流行，燃料電池也進入人們的視野。隨著研究的深入，燃料電池的種類也日趨廣泛，發展出堿性燃料電池(AFC)、磷酸燃料電池(PAFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)、質子交換膜燃料電池(PEMFC)、固體氧化物燃料電池(SOFC)、直接甲醇燃料電池(DMFC)等多種類型。這些燃料電池多以氣體和液體為燃料，與直碳燃料電池利用固體碳為燃料相比，在燃料的儲存和輸送上都存在較大劣勢，因此直碳燃料 電池成為燃料電池研究的熱點。直碳燃料電池的碳燃料多為固體碳材料,其來源十分廣泛，從傳統化石礦產碳源(如煤炭)，到廢棄物焦化產物(如焦炭)，再到可再生生物質碳化產物(如竹子碳纖維，秸桿木炭)，都可以作為直碳燃料電池的碳燃料。由于碳燃料是固體材料，所以直碳燃料電池的陽極氧化是固相-固相反應，一般認為這種類型的反應較為困難，主要是由于固體間接觸的表面積有限，且傳質較為困難；目前已有的改進方法主要有兩種，一種是將固體碳燃料置于熔融的碳酸鹽中，以增大反應接觸面積；另一種方法是人工加入活化催化劑，如堿金屬，堿土金屬離子，過渡金屬離子等，這些離子主要有兩個用途，一是催化碳燃料的氧化反應，另一個是起到收集傳導電流的作用。但是純碳固體材料在碳酸鹽中的浸潤效果不是很好，增大接觸面積有限，而人工加入金屬離子在放大生產中也不可取。

發明內容
本發明的目的就是針對現有技術存在的上述缺陷，提供一種直碳燃料電池的自催化碳燃料的制備技術。—種直碳燃料電池的自催化碳燃料的制備技術，其特征是由以下制作步驟完成 I)將粒徑粉碎至毫米乃至微米級的一種或兩種原料混合物，先進行干燥處理，干燥條
件是70 100攝氏度；
2 )然后在無氧或缺氧的環境下，將原料置于管式焦化爐中，在400 800度的中高溫的條件下，焦化熱分解后，再經過冷卻得到具有自催化性能的碳燃料；
所述的原料主要包括兩大類可再生生物質中的碳元素和廢棄物中的碳元素；所述的可再生生物質具體指植物秸桿，木纖維以及其他可再生的富碳類生物質；所述的廢棄物具體指廢紙，廢舊塑料，棄置包裝材料以及其他富碳類廢棄物；
所述的無氧或缺氧環境由保護氣提供，具體是指氮氣，氬氣，氦氣或者直接碳燃料電池陽極產生的二氧化碳尾氣。本發明得到的具有自催化性能的碳燃料的表面含有許多金屬離子官能團，包括鉀，鈣，納，鎂等堿金屬或堿土金屬，也含有微量的鐵，銅，鎳，鋅等過渡金屬離子。其中，上述的無氧或缺氧的環境是通過保護氣將管式加熱爐的空氣排除，先在中低溫下加熱一段時間原料，然后快速升溫到400 800度的中高溫，加熱8個小時以上，最后在保護氣的保護下慢慢冷卻到室溫。本發明的有益效果是碳燃料自身屬無定形結構，具有較大的比表面積，在直碳燃料電池工作工況下，更易浸潤在熔融碳酸鹽浴中；同時此碳燃料顆粒自身表面有許多金屬離子官能團，既起到了活化催化碳氧化反應的作用，也起到了增強電流傳導的作用。該制備方法簡單易操作，放大工程已實現。更為主要的是，所利用的碳源來自廢棄物和可再生生物質，這對減少環境破壞與減少不可再生資源的消耗，以及環境保護都十分有益。


附圖1是實施例1中的竹纖維碳燃料X射線粉末晶體衍射表征結果圖 附圖2是實施例2中的廢舊紙屑碳燃料X射線粉末晶體衍射表征結果圖 附圖3是以竹碳為燃料的 直碳燃料電池性能表征結果圖。
具體實施例方式下面結合附圖給出本自催化碳燃料的制備技術的具體實施例，對該直碳燃料電池的碳燃料技術進行進一步的說明
實施例1 :
以竹纖維作為可再生生物質原料，在敞口容器中加入適量機械破碎過的竹纖維，其粒徑粉碎至毫米乃至微米級，將竹纖維連同敞口容器一同放入管式加熱爐中，通入氮氣排除爐腔內的空氣，并保持氮氣氛圍，先在中低溫下加熱一段時間，干燥竹纖維，然后快速升溫到500 800度左右，加熱8個小時以上，最后在氮氣保護下慢慢冷卻到室溫，即得到所述的自催化碳燃料。對所得的竹碳燃料進行表征，檢測結果詳見附圖1和附表一?？梢姶朔椒ㄓ芍窭w維制備得到的碳燃料其無定形程度更高，表面也確有較多金屬離子。實施例2:
以廢舊紙盒作為廢棄物原料，在敞口容器中加入適量經機械破碎廢丨日紙盒得到的碎紙屑，其粒徑粉碎至毫米乃至微米級，將碎紙屑連同敞口容器一同放入管式加熱爐中，通入氮氣排除爐腔內的空氣，并保持氮氣氛圍，先在中低溫下加熱一段時間，干燥碎紙屑，然后快速升溫到500 800度左右，加熱8個小時以上，最后在氮氣保護下慢慢冷卻到室溫，即得到所述的自催化碳燃料。對所得的紙屑碳燃料進行表征，檢測結果詳見附圖2和附表二。可見此方法由廢舊紙屑制備得到的碳燃料其無定形程度更高，表面也確有較多金屬離子。
下面列舉以竹碳為燃料的直碳燃料電池性能一例
將上述所得的竹碳燃料與共晶碳酸鹽按質量比1:1進行混合，裝入直碳燃料電池設備中，在700攝氏度下測試電池的性能，所得性能曲線見附圖3，該共晶碳酸鹽為本領域技術人員所熟知的常規共晶碳酸鹽均可。附表一竹纖維碳燃料X射線光電子分光光譜表征結果圖，如下表
權利要求
1.一種直碳燃料電池的自催化碳燃料的制備技術，其特征是由以下制作步驟完成1)將粒徑粉碎至毫米乃至微米級的一種或兩種原料混合物，先進行干燥處理，干燥條件是70 100攝氏度；2 )然后在無氧或缺氧的環境下，將原料置于管式焦化爐中，在400 800度的中高溫的條件下，焦化熱分解后，再經過冷卻得到具有自催化性能的碳燃料；所述的原料主要包括兩大類可再生生物質中的碳元素和廢棄物中的碳元素；所述的可再生生物質具體指植物秸桿，木纖維以及其他可再生的富碳類生物質；所述的廢棄物具體指廢紙，廢舊塑料，棄置包裝材料以及其他富碳類廢棄物；所述的無氧或缺氧環境由保護氣提供，具體是指氮氣，氬氣，氦氣或者直接碳燃料電池陽極產生的二氧化碳尾氣。
2.根據權利要求1所述的直碳燃料電池的自催化碳燃料的制備技術，其特征是所述的具有自催化性能的碳燃料的表面含有許多金屬離子官能團，包括鉀，鈣，納，鎂等堿金屬或堿土金屬，也含有微量的鐵，銅，鎳，鋅等過渡金屬離子。
3.根據權利要求1所述的直碳燃料電池的自催化碳燃料的制備技術，其特征是所述的無氧或缺氧的環境是通過保護氣將管式加熱爐的空氣排除，先在中低溫下加熱一段時間原料，然后快速升溫到400 800度的中高溫，加熱8個小時以上，最后在保護氣的保護下慢慢冷卻到室溫。
全文摘要
本發明涉及一種直碳燃料電池領域，特別涉及一種直碳燃料電池的自催化碳燃料的制備技術，由以下制作步驟完成1)將粒徑粉碎至毫米乃至微米級的一種或兩種原料混合物，先進行干燥處理，干燥條件是70～100攝氏度；2)然后在無氧或缺氧的環境下，將原料置于管式焦化爐中，在400～800度的中高溫的條件下，焦化熱分解后，再經過冷卻得到具有自催化性能的碳燃料；有益效果是碳燃料自身屬無定形結構，具有較大的比表面積，在直碳燃料電池工作工況下，更易浸潤在熔融碳酸鹽浴中；同時此碳燃料顆粒自身表面有許多金屬離子官能團，既起到了活化催化碳氧化反應的作用，也起到了增強電流傳導的作用。
文檔編號C01B31/02GK103043652SQ20131001369
公開日2013年4月17日 申請日期2013年1月15日 優先權日2013年1月15日
發明者弭永利, 郝文斌 申請人:東營杰達化工科技有限公司