專利名稱：以污泥熱解氣為燃料的固體氧化物燃料電池及其發(fā)電的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于固體氧化物燃料電池領(lǐng)域；具體涉及以污泥熱解氣為燃料的固體氧化物燃料電池及其發(fā)電的方法。背景領(lǐng)域現(xiàn)今污泥熱解技術(shù)越來(lái)越趨于成熟，污泥熱解技術(shù)是一種污泥資源化的有利方法，熱解法作為城市污水生物污泥焚燒處理的替代技術(shù)，因其經(jīng)濟(jì)好、二次污染小、熱解產(chǎn)物利用價(jià)值高等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注，污泥熱解的主要產(chǎn)物焦炭、焦油和熱解氣。污泥熱解氣里富含大量的氫氣、甲烷、乙烷、一氧化碳和乙烯等燃料氣體，目前關(guān)于以污泥熱解氣為燃料進(jìn)行發(fā)電還未見(jiàn)報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供了以污泥熱解氣為燃料的固體氧化物燃料電池及其發(fā)電的方法。本發(fā)明以污泥熱解氣為燃料的固體氧化物燃料電池由殼體、導(dǎo)線、空氣管、熱解氣管、陽(yáng)極室、陽(yáng)極、電解質(zhì)膜、陰極和陰極室構(gòu)成，其特征在于所述rez膜將殼體分成陽(yáng)極室和陰極室，陽(yáng)極室內(nèi)設(shè)置有熱解氣管，陰極室內(nèi)設(shè)置有空氣管，陽(yáng)極與陰極分別固定在電解質(zhì)膜兩側(cè)，陽(yáng)極與陰極外側(cè)固定有鉬網(wǎng)，鉬網(wǎng)與導(dǎo)線連接，陽(yáng)極位于陽(yáng)極室內(nèi)，外電路設(shè)置在殼體的外部與導(dǎo)線連接，以污泥熱解氣為燃料。以污泥熱解氣為燃料的固體氧化物燃料電池發(fā)電的方法是通過(guò)下述步驟實(shí)現(xiàn)的污泥熱解氣脫硫后吸收二氧化碳，然后混入空氣，空氣占空氣與污泥熱解氣總體積的 10% 30%，然后以50 150mL/min流速由熱解氣管通入陽(yáng)極室進(jìn)行氧化反應(yīng)同時(shí)空氣以 50 150mL/min流速由空氣管通入陰極室進(jìn)行還原反應(yīng)，氧化還原過(guò)程中保持電池工作溫度為600 800°C，電流輸出；即實(shí)現(xiàn)了以污泥熱解氣為燃料的固體氧化物燃料電池發(fā)電。本發(fā)明中污泥熱解氣中的有效氣體(甲烷、氫氣和一氧化碳等)在陽(yáng)極失去電子， 空氣中的氧氣在陰極得到電子，電子由外接導(dǎo)線進(jìn)行傳遞，產(chǎn)生電流。本發(fā)明以污泥熱解氣為固體氧化物燃料電池燃料，將生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化為電能，發(fā)電效率為200 400mW/cm2 ；實(shí)驗(yàn) 40 60h后電池性能的僅降低5% 10%證明具有穩(wěn)定的電流和電壓，使用時(shí)間持久。熱解時(shí)產(chǎn)生的熱解氣得以充分利用，屬清潔、有效、無(wú)污染的能源獲取方式。用污泥熱解氣為燃料的固體氧化物燃料電池，通過(guò)組成電池堆利用熱解氣，可以建在污水處理廠、垃圾填埋場(chǎng)和工廠等用電企業(yè)，污泥得到資源化，產(chǎn)生電能，供給熱解的動(dòng)力消耗或者用電企業(yè)的用電需求。


圖1是以污泥熱解氣為燃料的固體氧化物燃料電池的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是具體實(shí)施方式
十一所述電池的發(fā)電效率隨時(shí)間變化曲線圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明技術(shù)方案不局限于以下所列舉具體實(shí)施方式
，還包括各具體實(shí)施方式
間的任意組合。
具體實(shí)施方式
一結(jié)合圖1進(jìn)行說(shuō)明，以污泥熱解氣為燃料的固體氧化物燃料電池由殼體1、導(dǎo)線2、空氣管3、熱解氣管4、陽(yáng)極室5、陽(yáng)極6、電解質(zhì)膜7、陰極8和陰極室9 構(gòu)成，所述HZ膜7將殼體1分成陽(yáng)極室5和陰極室9，陽(yáng)極室5內(nèi)設(shè)置有熱解氣管4，陰極室9內(nèi)設(shè)置有空氣管3，陽(yáng)極5與陰極8分別固定在電解質(zhì)膜7兩側(cè)，陽(yáng)極5與陰極8外側(cè)固定有鉬網(wǎng)11(鉬網(wǎng)11起收集電流的作用)，鉬網(wǎng)11與導(dǎo)線2連接，陽(yáng)極6位于陽(yáng)極室5 內(nèi)，外電路10設(shè)置在殼體1的外部與導(dǎo)線2連接，以污泥熱解氣為燃料。
具體實(shí)施方式
二本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一不同的是所述陽(yáng)極6的厚度為 200 μ m 500 μ m。其它組成和連接關(guān)系與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
三本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一或二不同的是所述電解質(zhì)膜7 厚度為30μπι ΙΟΟμπι。其它組成和連接關(guān)系與具體實(shí)施方式
一或二相同。
具體實(shí)施方式
四本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至三之一不同的是所述陰極8 厚度50μπι ΙΟΟμπι。其它組成和連接關(guān)系與具體實(shí)施方式
一至三之一相同。
具體實(shí)施方式
五本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至四之一不同的是所述陽(yáng)極是由氧化鎳和氧化鈷按1 3、1 6、3 1或6 1的質(zhì)量比制成的。其它組成和連接關(guān)系與具體實(shí)施方式
一至四之一相同。
具體實(shí)施方式
六本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至五之一不同的是所述電解質(zhì)膜7的材料是氧化釔穩(wěn)定氧化鋯(YSZ)，氧化釔穩(wěn)定氧化鋯中氧化釔的摩爾分?jǐn)?shù)為5% 15%。其它組成和連接關(guān)系與具體實(shí)施方式
一至五之一相同。
具體實(shí)施方式
七本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至六之一不同的是所述陰極8 的材料是鍶摻雜的錳酸鑭(LSM，Strontium Doped Lanthanum Manganate)，鍶摻雜的錳酸鑭分子式為L(zhǎng)a1-XSrxMnO3, χ取值為0. 1 0. 4。其它組成和連接關(guān)系與具體實(shí)施方式
一至六之一相同。
具體實(shí)施方式
八本實(shí)施方式中以污泥熱解氣為燃料的固體氧化物燃料電池發(fā)電的方法是通過(guò)下述步驟實(shí)現(xiàn)的污泥熱解氣脫硫后吸收二氧化碳，然后混入空氣，空氣占空氣和污泥熱解氣總體積的10% 30%，然后以50 150mL/min的流速由熱解氣管4通入陽(yáng)極室5進(jìn)行氧化反應(yīng)同時(shí)空氣以50 150mL/min的流速由空氣管3通入陰極室9進(jìn)行還原反應(yīng)，氧化還原過(guò)程中保持電池工作溫度為600 800°C，電流輸出；即實(shí)現(xiàn)了以污泥熱解氣為燃料的固體氧化物燃料電池發(fā)電。
具體實(shí)施方式
九；本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
八不同的是所述空氣占空氣和污泥熱解氣總體積的15% 25%。其它步驟和參數(shù)與具體實(shí)施方式
八相同。
具體實(shí)施方式
十本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
八不同的是所述空氣占空氣和污泥熱解氣總體積的20%。其它步驟和參數(shù)與具體實(shí)施方式
八相同。
具體實(shí)施方式
十一本實(shí)施方式所述以污泥熱解氣為燃料的固體氧化物燃料電池與具體實(shí)施方式
一不同的是殼體1為氧化鋁管，導(dǎo)線為銀線，陽(yáng)極與陰極的面積相等，面積為2. Mcm2，所述陽(yáng)極6的厚度為200 μ m;所述陽(yáng)極是由氧化鎳和氧化鈷按1 3的質(zhì)量比制成的；所述電解質(zhì)膜7厚 度為50 μ m ；所述陰極8厚度為80 μ m ；所述電解質(zhì)的材料是 Y2O3穩(wěn)定&03，Y2O3的摻雜的摩爾分?jǐn)?shù)為10% ；所述陰極8是鍶摻雜的錳酸鑭，鍶摻雜的錳酸鑭分子式為L(zhǎng)aa8Sra2MnCV其發(fā)電的方法是通過(guò)下述步驟實(shí)現(xiàn)的污泥熱解氣脫硫后吸收二氧化碳，然后混入空氣，空氣占空氣和污泥熱解氣總體積的20%，然后以lOOmL/min流速由熱解氣管4通入陽(yáng)極室5進(jìn)行氧化反應(yīng)同時(shí)空氣以lOOmL/min流速由空氣管3通入陰極室9進(jìn)行還原反應(yīng)，電流輸出；即實(shí)現(xiàn)了以污泥熱解氣為燃料的固體氧化物燃料電池發(fā) H1^ ο陽(yáng)極和陰極與電解質(zhì)膜可采用共壓法固定，使用壓力100 350MPa，電極的面積為1 3cm2，Pt網(wǎng)作為電流收集板，銀線連接進(jìn)行測(cè)試，用耐高溫的陶瓷粘合劑連接氧化鋁管，形成陰極室和陽(yáng)極室，固體燃料電池的制作時(shí)使用電場(chǎng)輔助制備電解質(zhì)和電極，電場(chǎng)參數(shù)1000 3000v. CnT1的直流電場(chǎng)或者交流電場(chǎng)。本實(shí)施方式發(fā)電效率隨時(shí)間變化如圖2所示。由圖2可知具有穩(wěn)定的電流和電壓， 使用時(shí)間持久。
權(quán)利要求
1.以污泥熱解氣為燃料的固體氧化物燃料電池，它由殼體(1)、導(dǎo)線O)、空氣管(3)、 熱解氣管⑷、陽(yáng)極室(5)、陽(yáng)極(6)、電解質(zhì)膜(7)、陰極(8)、陰極室(9)和鉬網(wǎng)(11)構(gòu)成，其特征在于所述YSZ膜(7)將殼體⑴分成陽(yáng)極室(5)和陰極室(9)，陽(yáng)極室(5) 內(nèi)設(shè)置有熱解氣管G)，陰極室(9)內(nèi)設(shè)置有空氣管(3)，陽(yáng)極(5)與陰極⑶分別固定在電解質(zhì)膜(7)兩側(cè)，陽(yáng)極(5)與陰極(8)外側(cè)固定有鉬網(wǎng)(11)，鉬網(wǎng)(11)與導(dǎo)線(2)連接， 陽(yáng)極(6)位于陽(yáng)極室(5)內(nèi)，外電路(10)設(shè)置在殼體⑴的外部與導(dǎo)線(2)連接，以污泥熱解氣為燃料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述以污泥熱解氣為燃料的固體氧化物燃料電池，其特征在于所述陽(yáng)極(6)的厚度為200 μ m 500 μ m。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述以污泥熱解氣為燃料的固體氧化物燃料電池，其特征在于所述電解質(zhì)膜⑵的厚度為30 μ m 100 μ m。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述以污泥熱解氣為燃料的固體氧化物燃料電池，其特征在于所述陰極⑶的厚度50 μ m 100 μ m。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述以污泥熱解氣為燃料的固體氧化物燃料電池，其特征在于所述陽(yáng)極(6)是由氧化鎳和氧化鈷按1 3、1 6、3 1或6 1的質(zhì)量比制成的。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述以污泥熱解氣為燃料的固體氧化物燃料電池，其特征在于所述電解質(zhì)膜(7)的材料是氧化釔穩(wěn)定氧化鋯，氧化釔穩(wěn)定氧化鋯中氧化釔的摩爾分?jǐn)?shù)為 5% 15%。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述以污泥熱解氣為燃料的固體氧化物燃料電池，其特征在于所述陰極(8)的材料是鍶摻雜的錳酸鑭，鍶摻雜的錳酸鑭分子式為L(zhǎng)ai-XSrXMn03，χ取值為 0. 1 0. 4。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述以污泥熱解氣為燃料的固體氧化物燃料電池發(fā)電的方法，其特征在于以污泥熱解氣為燃料的固體氧化物燃料電池發(fā)電的方法是通過(guò)下述步驟實(shí)現(xiàn)的污泥熱解氣脫硫后吸收二氧化碳，然后混入空氣，空氣占空氣與污泥熱解氣總體積的10% 30%，然后以50 150mL/min流速由熱解氣管(4)通入陽(yáng)極室(5)進(jìn)行氧化反應(yīng)同時(shí)空氣以50 150mL/min流速由空氣管(3)通入陰極室(9)進(jìn)行還原反應(yīng)，氧化還原過(guò)程中保持電池工作溫度為600 800°C，電流輸出；即實(shí)現(xiàn)了以污泥熱解氣為燃料的固體氧化物燃料電池發(fā)電。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的以污泥熱解氣為燃料的固體氧化物燃料電池發(fā)電的方法，其特征在于空氣占空氣與污泥熱解氣總體積的15% 25%。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的以污泥熱解氣為燃料的固體氧化物燃料電池發(fā)電的方法， 其特征在于空氣占空氣與污泥熱解氣總體積的20%。
全文摘要
以污泥熱解氣為燃料的固體氧化物燃料電池及其發(fā)電的方法，它屬于固體氧化物燃料電池領(lǐng)域。本發(fā)明目的是提供了以污泥熱解氣為燃料的固體氧化物燃料電池及其發(fā)電的方法。所述YSZ膜將殼體分成陽(yáng)極室和陰極室，陽(yáng)極室內(nèi)設(shè)置有熱解氣管，陰極室內(nèi)設(shè)置有空氣管，陽(yáng)極與陰極分別固定在電解質(zhì)膜兩側(cè)，以污泥熱解氣為燃料。所述發(fā)電的方法是通過(guò)下述步驟實(shí)現(xiàn)的污泥熱解氣脫硫后吸收二氧化碳，混入空氣后由熱解氣管通入陽(yáng)極室進(jìn)行氧化反應(yīng)同時(shí)空氣由空氣管通入陰極室進(jìn)行還原反應(yīng)，電流輸出。本發(fā)明的發(fā)電效率為200～400mW/cm2；40～60h后電池性能的僅降低5％～10％，證明具有穩(wěn)定的電流和電壓。
文檔編號(hào)H01M4/86GK102208669SQ201110107419
公開(kāi)日2011年10月5日 申請(qǐng)日期2011年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月27日
發(fā)明者吳曉燕, 田禹 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)