專利名稱：一種流化床電極直接碳燃料電池裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于清潔能源技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種流化床電極直接碳燃料電池裝置。
背景技術(shù)：
我國是世界上最大的煤炭生產(chǎn)和消費(fèi)國，煤炭消耗量占到一次能源總量的70%以上，其中超過50%的煤炭用于火力發(fā)電。同時(shí)，煤炭在我國電力結(jié)構(gòu)中也占有主要地位， 2009年我國總裝機(jī)容量的74. 6%以上是火力發(fā)電，其中燃煤發(fā)電占到95%。以煤為主的能源結(jié)構(gòu)在短時(shí)間內(nèi)不會(huì)有很大改變。但目前我國燃煤發(fā)電效率低，能源浪費(fèi)和環(huán)境污染狀況嚴(yán)重；同時(shí)，作為世界上(X)2排放第一大國，我們面臨著巨大的(X)2減排壓力，而且燃煤火電又是我國最大和最集中的二氧化碳排放源。因此探索高效的潔凈煤發(fā)電技術(shù)是能源工業(yè)發(fā)展的必然方向。直接碳燃料電池(Direct Carbon Fuel Cell，DCFC)采用固體碳作為燃料，近年來受到國內(nèi)外研究者的廣泛重視，并被列為未來十大值得關(guān)注技術(shù)之一。直接碳燃料電池 (Direct Carbon Fuel Cell,DCFC)采用固體碳為燃料，能夠?qū)⑻既剂系幕瘜W(xué)能清潔高效地直接轉(zhuǎn)化為電能，近年來受到國內(nèi)外研究者的廣泛重視。與傳統(tǒng)燃料電池相比，直接碳燃料電池在電池效率、CO2減排、燃料來源等方面具有非常獨(dú)特的優(yōu)勢。直接碳燃料電池總反應(yīng)(C+02 = CO2)熵變很小(2. δΧ Τ.πιοΓ1)，在800°C左右時(shí)，理論效率可達(dá)100%，相比較而言，同溫度下H2燃料電池的理論效率只有77%。電池效率的提高降低了單位發(fā)電量的燃料消耗量，減少了 (X)2的排放，而且碳燃料不和空氣直接接觸混合，有利于(X)2的富集與減排。直接碳燃料電池所使用的固體碳燃料體積小、熱值高，運(yùn)輸與儲(chǔ)藏方便而且來源廣泛易于獲取，可以通過對儲(chǔ)量豐富的煤炭、生物質(zhì)(如秸稈、谷殼、木屑)甚至是有機(jī)垃圾等進(jìn)行簡單加工處理而得到。直接碳燃料電池的商業(yè)應(yīng)用將革命性地改變傳統(tǒng)能源利用方式，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)化石能源利用和燃料電池技術(shù)的完美結(jié)合，可有力緩解我國油氣資源緊張現(xiàn)狀，提高能源利用效率，減輕(X)2減排壓力，對能源技術(shù)進(jìn)步和國家能源安全具有重要意義。傳統(tǒng)的固定床反應(yīng)器結(jié)構(gòu)形式簡單，流動(dòng)影響因素少，有利于研究SO-DCFC的反應(yīng)機(jī)理，但固定床反應(yīng)器總反應(yīng)速率主要由物質(zhì)擴(kuò)散過程控制，是碳?xì)饣磻?yīng)過程的速率控制步驟，同時(shí)面臨在反應(yīng)一段時(shí)間后碳燃料的連續(xù)供給問題。對于碳?xì)饣磻?yīng)過程，碳的氣化反應(yīng)(1)是一個(gè)強(qiáng)吸熱反應(yīng)，而CO的電化學(xué)氧化反應(yīng)(2)是一個(gè)強(qiáng)放熱反應(yīng)，熱量的傳遞和匹配對反應(yīng)器的傳熱速率提出較高要求，固定床反應(yīng)器傳熱效率較低難以滿足要求。流化床直接碳燃料電池增強(qiáng)了碳的氣化反應(yīng)，碳顆粒能夠與電池陽極頻繁碰撞，有利于碳的直接電化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)也很好地解決了給料問題。在碳燃料中添加導(dǎo)體催化劑的基礎(chǔ)上，SO-DCFC的陽極可以采用傳熱、傳質(zhì)效果好的流化床反應(yīng)器，同時(shí)由于碳燃料具有導(dǎo)電性，因此SO-DCFC的陽極為流化床電極，可稱之為流化床電極固體氧化物直接碳燃料電池 (Fluid Bed Electrode Solid Oxide Direct Carbon Fuel Cell，F(xiàn)BE-S0_DCFC)。流化床電極固體氧化物直接碳燃料電池保持了流化床SO-DCFC的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)由于碳燃料有導(dǎo)電性， 將碳直接電化學(xué)反應(yīng)界面從二維拓展到三維，能夠進(jìn)一步提高碳的直接電化學(xué)反應(yīng)過程。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種流化床電極直接碳燃料電池裝置。本發(fā)明的目的還在于利用上述裝置進(jìn)行發(fā)電的方法?！N流化床電極直接碳燃料電池裝置，該裝置包含流化床1、兩根及兩根以上管式單體電池2、集流板3、復(fù)合碳燃料6、氣體循環(huán)裝置12、螺旋給料機(jī)4、燃料箱5;管式單體電池2為盲管式或通管式，對于盲管式電池，開口端伸出流化床1，封閉端置于流化床1內(nèi)部， 對于通管式電池，兩端均伸出流化床1外，管式單體電池布局為順排或叉排方式；集流板3 置于流化床1內(nèi)壁上；復(fù)合碳燃料6填充于流化床1底部，與流化床1外部的螺旋給料機(jī)4 和燃料箱5相通；氣體循環(huán)裝置12位于流化床1外部連接流化床的進(jìn)氣口和出氣口。管式單體電池2可分成兩層結(jié)構(gòu)或三層結(jié)構(gòu)，當(dāng)為兩層結(jié)構(gòu)時(shí)，內(nèi)側(cè)為多孔陰極材料，外側(cè)為固體氧化物電解質(zhì)，當(dāng)為三層結(jié)構(gòu)時(shí)，內(nèi)側(cè)為多孔陰極材料，中間為固體氧化物電解質(zhì)，外側(cè)可以為多孔陽極材料。所述復(fù)合碳燃料6為加入離子導(dǎo)體的碳燃料，所述離子導(dǎo)體為為CO〗-離子導(dǎo)體、 O2-離子導(dǎo)體、電子導(dǎo)體及它們的混合物。一種流化床電極直接碳燃料電池裝置發(fā)電的方法，流化床采用外部電加熱方式保持工作溫度在500 1000°C，向流化床電極底部通入流化氣體，使流化床內(nèi)碳燃料處于流態(tài)化，向管式單體電池內(nèi)側(cè)通入由空氣或純氧氣組成的陰極氧化劑，通過集流板收集電流， 流化氣體從流化床頂部排出，經(jīng)過氣體循環(huán)裝置注入鼓泡床底部，實(shí)現(xiàn)回收利用。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明的管式單體電池結(jié)構(gòu)加大了換熱效果，便于集流、密封和陰極氧化劑流入；在固體氧化物直接碳燃料電池基礎(chǔ)上，向固體碳燃料中添加導(dǎo)體催化劑，使得碳的直接電化學(xué)反應(yīng)界面從二維拓展為三維，并能促進(jìn)碳的氣化反應(yīng)，從而提高電池性能；在反應(yīng)器壁面布置集流板，便于收集電流。同時(shí)采用流化床反應(yīng)器構(gòu)成流化床電極，進(jìn)一步增強(qiáng)電極內(nèi)的傳熱和傳質(zhì)，不僅解決了給料問題，而且能夠進(jìn)一步提高固體氧化物直接碳燃料電池的性能。


圖1本發(fā)明流化床電極直接碳燃料電池裝置示意圖；圖中，1-流化床、2-管式單體電池、3-集流板、4-螺旋給料機(jī)、5-燃料箱、6_復(fù)合碳燃料、7-流化床出口氣體、8-導(dǎo)線、9-工作負(fù)載、10-空氣或純氧氣、11-流化氣體、12-氣體循環(huán)裝置。圖2為盲管式電池單體結(jié)構(gòu)示意圖；圖中，10-空氣或純氧氣、13-導(dǎo)流管、14-陰極、15-陽極、16-固體氧化物電解質(zhì)。圖3為電池單體順排布置方式示意圖；圖中，2-管式單體電池、3-集流板、6-復(fù)合碳燃料、11-流化氣體。圖4為通管式電池單體結(jié)構(gòu)示意圖；圖中，10-空氣或純氧氣、14-陰極、15-陽極、16-固體氧化物電解質(zhì)。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。實(shí)施例1流化床電極直接碳燃料電池裝置，該裝置包含流化床1、兩根及兩根以上管式單體電池2、集流板3、復(fù)合碳燃料6、氣體循環(huán)裝置12、螺旋給料機(jī)4、燃料箱5 (如圖1所示)； 管式單體電池為盲管式(如圖2所示)，開口端伸出流化床1，封閉端置于流化床1內(nèi)部，管式單體電池內(nèi)側(cè)為陰極14，外側(cè)為陽極15，中間為固體氧化物電解質(zhì)16，兩個(gè)導(dǎo)流管13平行插入電池內(nèi)部，管式單體電池布局為順排方式(如圖3所示)；集流板3置于流化床1內(nèi)壁上；復(fù)合碳燃料6填充于流化床1底部，與流化床1外部的螺旋給料機(jī)4和燃料箱5相通；復(fù)合碳燃料6為加入離子導(dǎo)體的碳燃料，碳燃料包括石墨、炭黑、焦炭、煤以及由它們按照任意比例組成的混合燃料；離子導(dǎo)體為CO32-離子導(dǎo)體、02-離子導(dǎo)體、電子導(dǎo)體及它們的混合物；氣體循環(huán)裝置12位于流化床外部連接流化床的進(jìn)氣口和出氣口 ；流化氣體11為 CO2, H2O, N2, He及它們的混合物。利用上述裝置發(fā)電的方法流化床1采用外部電加熱方式保持工作溫度在500 1000°C，向流化床電極底部通入流化氣體11，使流化床內(nèi)碳燃料處于流態(tài)化，向管式單體電池2內(nèi)側(cè)通入由空氣或純氧氣10組成的陰極氧化劑，通過集流板收3集電流，收集的電流可通過導(dǎo)線8外接工作負(fù)載9，流化床出口氣體7從流化床頂部排出，經(jīng)過氣體循環(huán)裝置12 注入流化床底部，實(shí)現(xiàn)回收利用。實(shí)施例2流化床電極直接碳燃料電池裝置，該裝置包含流化床1、兩根及兩根以上管式單體電池2、集流板3、復(fù)合碳燃料6、氣體循環(huán)裝置12、螺旋給料機(jī)4、燃料箱5 (如圖1所示)； 管式單體電池為通管式(如圖4所示)，兩端均伸出流化床1外，管式單體電池內(nèi)側(cè)為陰極 14，外側(cè)為陽極15，中間為固體氧化物電解質(zhì)16，管式單體電池布局為順排方式(如圖3所示)；集流板3置于流化床1內(nèi)壁上；復(fù)合碳燃料6填充于流化床1底部，與流化床1外部的螺旋給料機(jī)4和燃料箱5相通；復(fù)合碳燃料6為加入離子導(dǎo)體的碳燃料，碳燃料包括石墨、 炭黑、焦炭、煤以及由它們按照任意比例組成的混合燃料；離子導(dǎo)體為CO32-離子導(dǎo)體、02_離子導(dǎo)體、電子導(dǎo)體及它們的混合物；氣體循環(huán)裝置12位于流化床外部連接流化床的進(jìn)氣口和出氣口 ；流化氣體11為CO2, H2O, N2, He及它們的混合物。利用上述裝置發(fā)電的方法流化床1采用外部電加熱方式保持工作溫度在500 1000°C，向流化床1電極底部通入流化氣體11，使流化床1內(nèi)碳燃料處于流態(tài)化，向管式單體電池2內(nèi)側(cè)通入由空氣或純氧氣10組成的陰極氧化劑，通過集流板3收集電流，收集的電流可通過導(dǎo)線8外接工作負(fù)載9，流化床出口氣體7從流化床1頂部排出，經(jīng)過氣體循環(huán)裝置12注入流化床底部，實(shí)現(xiàn)回收利用。
權(quán)利要求
1.一種流化床電極直接碳燃料電池裝置，其特征在于，該裝置包含流化床(1)、兩根及兩根以上管式單體電池O)、集流板(3)、復(fù)合碳燃料(6)、氣體循環(huán)裝置(12)、螺旋給料機(jī) G)、燃料箱(5)；管式單體電池O)為盲管式或通管式，對于盲管式電池，開口端伸出流化床(1)，封閉端置于流化床(1)內(nèi)部，對于通管式電池，兩端均伸出流化床(1)外，管式單體電池布局為順排或叉排方式；集流板( 置于流化床(1)內(nèi)壁上；復(fù)合碳燃料(6)填充于流化床(1)底部，與流化床(1)外部的螺旋給料機(jī)(4)和燃料箱( 相通；氣體循環(huán)裝置(12) 位于流化床(1)外部連接流化床的進(jìn)氣口和出氣口。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種流化床電極直接碳燃料電池裝置，其特征在于，管式單體電池(2)可分成兩層結(jié)構(gòu)或三層結(jié)構(gòu)，當(dāng)為兩層結(jié)構(gòu)時(shí)，內(nèi)側(cè)為多孔陰極材料，外側(cè)為固體氧化物電解質(zhì)，當(dāng)為三層結(jié)構(gòu)時(shí)，內(nèi)側(cè)為多孔陰極材料，中間為固體氧化物電解質(zhì)，外側(cè)可以為多孔陽極材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種流化床電極直接碳燃料電池裝置，其特征在于，所述復(fù)合碳燃料(6)為加入離子導(dǎo)體的碳燃料，所述離子導(dǎo)體為為CO32-離子導(dǎo)體、O2—離子導(dǎo)體、電子導(dǎo)體及它們的混合物。
4.一種利用權(quán)利要求1所述流化床電極直接碳燃料電池裝置發(fā)電的方法，其特征在于，流化床采用外部電加熱方式保持工作溫度在500 1000°C，向流化床電極底部通入流化氣體，使流化床內(nèi)碳燃料處于流態(tài)化，向管式單體電池內(nèi)側(cè)通入由空氣或純氧氣組成的陰極氧化劑，通過集流板收集電流，流化氣體從流化床頂部排出，經(jīng)過氣體循環(huán)裝置注入鼓泡床底部，實(shí)現(xiàn)回收利用。
全文摘要
本發(fā)明公開了屬于清潔能源技術(shù)領(lǐng)域的一種流化床電極直接碳燃料電池裝置。該裝置包含流化床、兩根及兩根以上管式單體電池、集流板、復(fù)合碳燃料、氣體循環(huán)裝置、螺旋給料機(jī)和燃料箱。本發(fā)明在固體氧化物直接碳燃料電池基礎(chǔ)上，向固體碳燃料中添加導(dǎo)體催化劑，使得碳的直接電化學(xué)反應(yīng)界面從二維拓展為三維，并能促進(jìn)碳的氣化反應(yīng)，從而提高電池性能；在反應(yīng)器壁面布置集流板，便于收集電流；同時(shí)采用流化床反應(yīng)器構(gòu)成流化床電極，進(jìn)一步增強(qiáng)電極內(nèi)的傳熱和傳質(zhì)，不僅解決了給料問題，而且能夠進(jìn)一步提高固體氧化物直接碳燃料電池的性能。
文檔編號H01M8/04GK102324539SQ201110217478
公開日2012年1月18日 申請日期2011年8月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月1日
發(fā)明者史翊翔, 王洪建, 蔡寧生 申請人:清華大學(xué)