專利名稱：一種熔融碳酸鹽直接碳燃料電池堆的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種熔融碳酸鹽直接碳燃料電池堆技術(shù)領(lǐng)域[0001]本實用新型屬于碳燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種熔融碳酸鹽直接碳燃料電池堆。
背景技術(shù)：
[0002]能源是國民經(jīng)濟(jì)的支柱，是人類社會發(fā)展所必需的推動力。從工業(yè)革命開始，人類動力主要通過熱機(jī)獲得。但是，由于熱機(jī)受“卡諾極限”的限制，效率提高較為困難，造成能源的浪費(fèi)，同時排放出大量污染物，嚴(yán)重危害人類生存環(huán)境。因此，探索清潔、環(huán)保、高效的能源利用方式成為世界能源發(fā)展的必然方向。[0003]燃料電池能夠?qū)⑷剂现械幕瘜W(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，具有能量轉(zhuǎn)換效率高、潔凈無污染、噪聲低、模塊結(jié)構(gòu)性強(qiáng)等優(yōu)點，有望成為未來能源供應(yīng)系統(tǒng)的重要組成部分。與常規(guī)燃料電池不同，直接碳燃料電池(Direct Carbon Fuel Cell, DCFC)采用固體碳作為燃料， 將其中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，其獨(dú)特優(yōu)勢在于理論效率更高，接近100%;反應(yīng)物固體碳和產(chǎn)物二氧化碳分別以固、氣兩相存在，在保持理論電壓不變情況下，燃料利用率仍可達(dá) 100% ；固體碳燃料資源豐富廉價，從世界范圍來看，煤炭資源儲量豐富，價格便宜，而固體碳燃料有望通過對煤炭、生物質(zhì)等進(jìn)行簡單加工處理得到，燃料來源廣泛；固體碳燃料體積小、熱值高，運(yùn)輸與儲藏方便；碳燃料直接轉(zhuǎn)化為二氧化碳，路徑單一，有利于二氧化碳的富集與減排。[0004]直接碳燃料電池根據(jù)所用電解質(zhì)的不同可分為多種類型，其中，熔融碳酸鹽直接碳燃料電池的電流密度較高，碳燃料和電解質(zhì)發(fā)生液固反應(yīng)，反應(yīng)速率快，且不存在碳酸鹽電解質(zhì)的消耗，反應(yīng)生成物中二氧化碳比例高，是目前最成熟的直接碳燃料電池技術(shù)。[0005]1975 年，Weaver (Weaver R D，Tietz L，Cubicciotti D. Direct use of coal in a fuel cell -Feasibility investigation. USA :Stanford Research Inst. , 1975.)首次以熔融碳酸鹽作為電解質(zhì)材料，研制了工作溫度750°C的直接碳燃料電池單體。20世紀(jì)90 年代，熔融碳酸鹽直接碳燃料電池研究增多，與碳酸鹽性質(zhì)相似的硼酸鹽和硅酸鹽也曾用作電解質(zhì)材料，但其熔點溫度太高，性能不如碳酸鹽材料。到目前為止，熔融碳酸鹽型直接碳燃料電池的研究最為廣泛，其工作原理是[0006]當(dāng)電池外接負(fù)載時，陰極A得到電子被還原，與CO2結(jié)合生成co32-，co32-在熔融碳酸鹽電解質(zhì)內(nèi)部通過擴(kuò)散和毛細(xì)作用傳導(dǎo)至陽極，將陽極C氧化生成CO2,同時釋放出的電子通過外部負(fù)載到達(dá)陰極，形成外電路并釋放電能。陽極產(chǎn)生的(X)2中，三分之二通過電池外部輸運(yùn)到陰極循環(huán)利用，剩余三分之一排空。[0007]陽極反應(yīng)C+2C032—— 3C02 +4e—[0008]陰極反應(yīng)02+2C02+4e— — 2C032[0009]總反應(yīng)—CO2[0010]勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的Cooper等人(Cooper J F. Direct conversion of coal derived carbon in fuel cells.//Basu S. Recent trends in fuel cell scienceand technology,New Delhi :Anamaya，2007 :248-266 ；Cooper J F. Direct conversion of coal and coal-derived carbon in fuel cells. Proceedings of the 2nd international conference on fuel cell science，engineering and technology,2004 :375-385.)以 32% Li2C03-68% K2CO3S電解質(zhì)、碳粉與熔鹽混合碳泥為陽極、泡沫鎳為陰極制備了一種傾斜式結(jié)構(gòu)直接碳燃料電池，針對9種不同碳燃料，測定了比表面積、顆粒尺寸和結(jié)晶度對燃料電池性能的影響。[0011]昆士蘭大學(xué) Li 等人(Li X，Zhu Z H, Marco R D, et al. Factors that determine the performance of carbon fuels in the direct carbon fuel cell. Industrial&Engineering Chemistry Research,2008,47(23) :9670-9677 ；Li X，Zhu Z H, Marco R D, et al. Factors that determine the performance of carbon fuels in the direct carbon fuel cell. Industrial&Engineering Chemistry Research,2008,47(23) 9670-9677.)在600-800°C范圍內(nèi)，以活性碳、炭黑和石墨化碳為燃料，測量分析了碳燃料物性與直接碳燃料電池電化學(xué)反應(yīng)特性關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)高的中孔比表面積和富氧表面基元有利于電池性能的提高。采用層03、HCl和等離子場對碳燃料進(jìn)行預(yù)處理后，能改善碳燃料電化學(xué)反應(yīng)活性。其中HNO3預(yù)處理效果最好，在800°C和0. 6V工作電壓下電流密度約 1600Α·πΓ2。哈爾濱工程大學(xué) Cao 等人(Cao D，Wang G，Wang C, et al. Enhancement of electrooxidation activity of activated carbon for direct carbon fuel cell. International Journal of Hydrogen Energy, 2010，35 :1778-1782.)發(fā)現(xiàn)采用 HF、 HNO3和NaOH對碳燃料進(jìn)行預(yù)處理并浸透電解質(zhì)，能夠顯著提高電池電化學(xué)反應(yīng)活性。其中 HF處理后電池性能最高，0. 6V恒壓放電時電流密度在30min內(nèi)始終保持在800A ·πΓ2以上， 其電化學(xué)反應(yīng)活性的提高與碳燃料處理后比表面積和孔隙結(jié)構(gòu)增大有關(guān)。[0012]天津大學(xué) Chen 等人(Chen Μ, Wang C, Niu X，et al. Carbon anode in direct carbon fuel cell.International Journal of Hydrogen Energy,2010,35 (7) 2732-2736.)在 650°C下，以 1. 05 1. 2 1 的 Li2CO3-K2CO3-Al2O3 熔融混合物為電解質(zhì)，獲得1870W · m_2的最大功率密度。研究發(fā)現(xiàn)影響電池性能的主要因素為碳燃料晶體結(jié)構(gòu)、潤濕能力和電導(dǎo)率。[0013]荷蘭代爾夫特工業(yè)大學(xué)Peelen 等人(Peelen W H A, Olivry M, Au S F, et al.Electrochemical oxidation of carbon in a 62/38mol % Li/Kcarbonate melt. Journal of Applied Electrochemistry, 2000, 30 (12) : 1389-1395.)采用電化學(xué)阻抗譜和循環(huán)伏安法對熔融碳酸鹽直接碳燃料電池中碳的電化學(xué)氧化過程進(jìn)行了研究。當(dāng)工作溫度低于700°C時，電荷傳遞過程是反應(yīng)速率控制步驟；當(dāng)溫度較高時，電池歐姆阻抗對性能影響更為顯著。[0014]受電池材料與技術(shù)發(fā)展限制，目前國內(nèi)外熔融碳酸鹽直接碳燃料電池研究多停留在單電池設(shè)計和實驗研究階段，燃料電池堆設(shè)計較少。同時，與傳統(tǒng)使用氣體燃料的燃料電池不同，直接碳燃料電池在實際應(yīng)用過程中面臨著固體碳燃料的連續(xù)給料問題，給燃料電池堆的設(shè)計帶來進(jìn)一步困難。[0015]為了提高體積功率密度和能量密度，采用氣體燃料的熔融碳酸鹽燃料電池堆常采用多層平板式堆結(jié)構(gòu)。遺憾的是，該燃料電池堆中陰、陽極腔體結(jié)構(gòu)復(fù)雜、流道冗長，無法滿足固體碳燃料的連續(xù)給料需求，目前相關(guān)報道較少。如果能采用氣體送粉的給料方式，同時解決固體碳燃料粉末的留存以及與陽極接觸的難題，就可以設(shè)計制造出功率密度高、緊湊實用的熔融碳酸鹽直接碳燃料電池堆，大大推進(jìn)相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步與推廣應(yīng)用。發(fā)明內(nèi)容[0016]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本實用新型的目的在于提供一種熔融碳酸鹽直接碳燃料電池堆，采用氣體送粉式結(jié)構(gòu)，解決了直接碳燃料電池組堆的困難，以及固體碳燃料的連續(xù)給料問題，使燃料電池堆結(jié)構(gòu)更加緊湊，提高了電池堆的體積功率密度，加強(qiáng)了電池堆內(nèi)部傳熱傳質(zhì)過程，提高了電池堆整體性能，同時設(shè)備簡單、易于實現(xiàn)，便于組成大規(guī)模電池組。[0017]為了解決上述技術(shù)問題，本實用新型采用的技術(shù)方案是[0018]一種熔融碳酸鹽直接碳燃料電池堆，由多個燃料電池單體堆疊而成，所述燃料電池單體自上而下由陽極集流板2、陽極11、電解質(zhì)隔膜10、陰極9和陰極集流板4壓緊組成， 陽極集流板2上開有多條水平平行的陽極氣體流道8，陰極集流板4開有多條水平平行的陰極氣體流道3，陽極11上均布有多個陽極板開孔15，每個陽極板開孔15都與一個或者多個陽極氣體流道8連通，陽極氣體流道8的入口連通碳燃料倉14的給料口，陽極氣體流道8 的出口連通旋風(fēng)分離器7的送風(fēng)口，旋風(fēng)分離器7的排氣管、碳燃料倉14的載氣入口以及陰極氣體流道3的入口之間有CO2氣體回路1，旋風(fēng)分離器7的排灰管與碳燃料倉14的進(jìn)料口之間有碳燃料回路13。[0019]所述陰極氣體流道3和陽極氣體流道8相互垂直或者相互平行。[0020]所述碳燃料倉14中配置有碳燃料，所述的碳燃料為石墨、炭黑、焦炭、煤、活性炭、 生物質(zhì)或者石油焦，碳燃料的粒徑為5mm 10nm。[0021]所述電解質(zhì)隔膜10中配置有熔融電解質(zhì)，所述的熔融電解質(zhì)為Li2CO3, K2CO3以及 Na2CO3中的一種或幾種。[0022]進(jìn)入陰極氣體流道3中的陰極氣體為空氣與(X)2氣體的混合物、氧氣與(X)2氣體的混合物或者空氣、氧氣、⑶2三種氣體的混合物。[0023]電池堆的工作溫度范圍為600°C 800°C。[0024]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型的優(yōu)點是[0025]1)采用氣體送粉式結(jié)構(gòu)，很好的解決了直接碳燃料電池的固體碳燃料連續(xù)給料難題；[0026]2)平板式電池堆結(jié)構(gòu)設(shè)計，解決直接碳燃料電池組堆的困難；[0027]3)氣體送粉加強(qiáng)了電池陽極傳熱傳質(zhì)過程，提高電池堆整體性能；[0028]4)電池堆結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)備要求低、易于實現(xiàn)，便于組成大規(guī)模電池組。


[0029]圖1是本實用新型整體結(jié)構(gòu)示意圖。[0030]圖2是燃料電池單體結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
[0031]
以下結(jié)合附圖和實施例詳細(xì)說明本實用新型的實施方式。[0032]實施例一[0033]如圖1和圖2所示，一種熔融碳酸鹽直接碳燃料電池堆，由30個燃料電池單體堆疊而成，所述燃料電池單體自上而下由陽極集流板2、陽極11、電解質(zhì)隔膜10、陰極9和陰極集流板4壓緊組成，陽極集流板2上開有多條水平平行的陽極氣體流道8，陰極集流板4上開有多條水平平行的陰極氣體流道3，陽極11上均布有多個陽極板開孔15，每個陽極板開孔15都與一個或者多個陽極氣體流道8連通，陽極氣體流道8的入口連通碳燃料倉14的給料口，陽極氣體流道8的出口連通旋風(fēng)分離器7的送風(fēng)口，旋風(fēng)分離器7的排氣管、碳燃料倉14的載氣入口以及陰極氣體流道3的入口之間有(X)2氣體回路1，旋風(fēng)分離器7的排灰管與碳燃料倉14的進(jìn)料口之間有碳燃料回路13。[0034]其中，陽極氣體流道8和陰極氣體流道3方向彼此垂直，呈交錯流流型。30片燃料電池單體按照陽極11在上、陰極9在下方向堆疊成燃料電池堆。[0035]本實施例中，電池單體尺寸約30cmX30cm ；采用62% Li2C03"38% K2CO3的混合物作為電解質(zhì)；采用粒徑5mm 50μπι的石墨作為固體碳燃料；采用1 1的CO2與空氣的混合物作為陰極氣體；采用純0)2作為陽極送粉氣體，反應(yīng)后旋風(fēng)分離器排氣管出口 (X)2 30% 進(jìn)入碳燃料倉，用于石墨粉末的氣體輸送，60%進(jìn)入陰極氣體流道，與空氣按照1 1混合后用作陰極氣體，剩余10%直接排空；電池堆工作溫度為650°C。[0036]當(dāng)燃料電池堆工作時，石墨粉末存放在碳燃料倉14中，(X)2氣體流過碳燃料倉14， 攜帶石墨粉末形成陽極入口混合物12，流入陽極氣體流道8，由于陽極11上均勻分布有與陽極氣體流道8連通的陽極板開孔15，在陽極氣體流道8中石墨粉末會穿過陽極板開孔15 與電解質(zhì)隔膜10中的熔融電解質(zhì)直接接觸，并粘附在電解質(zhì)隔膜10上。這樣，陽極板開孔 15就形成了一個個石墨粉末存儲腔體，供燃料電池陽極反應(yīng)所用。陰極氣體5流過陰極氣體流道3，陰極氣體5中的O2與(X)2發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)生成C032-，C032-通過擴(kuò)散和毛細(xì)作用穿過電解質(zhì)隔膜10傳導(dǎo)至陽極11，將陽極板開孔15中的石墨粉末氧化生成CO2,同時釋放出的電子通過外電路到達(dá)陰極9并釋放電能，剩余陰極氣體5在陰極氣體流道3的出口排空。陽極反應(yīng)后生成的CO2氣體、未粘附石墨粉末以及攜帶石墨粉末的(X)2氣體組成陽極出口混合物6。陽極出口混合物6從陽極氣體流道8的出口全部引入旋風(fēng)分離器7中，經(jīng)過旋風(fēng)分離作用，從(X)2氣體中分離出未反應(yīng)的石墨粉末通過碳燃料回路13返回碳燃料倉14。 旋風(fēng)分離器7排氣管的CO2氣體通過(X)2氣體回路1，30%進(jìn)入碳燃料倉14，用于石墨粉末的氣體輸送，60%進(jìn)入陰極氣體流道3，與空氣按照1 1混合后用作陰極氣體5，剩余10% 直接排空。[0037]本實施例能夠保證氣體送粉式熔融碳酸鹽直接碳燃料電池單體開路電壓在0. 9V 以上。[0038]實施例二[0039]與實施例一的不同在于，陽極氣體流道8和陰極氣體流道3方向彼此相同，呈順流流型；燃料電池單體的數(shù)量為60個，電池單體尺寸約20CmX20Cm ；采用43% Li2C03-57% K2CO2WM合物作為電解質(zhì)；采用粒徑2mm ΙΟΟμπι的炭黑作為固體碳燃料；采用2 1的 CO2與氧氣的混合物作為陰極氣體；采用純(X)2作為陽極送粉氣體，反應(yīng)后旋風(fēng)分離器排氣管出口 C0250%進(jìn)入碳燃料倉，用于炭黑粉末的氣體輸送，40%進(jìn)入陰極氣體流道，與氧氣按照2 1混合后用作陰極氣體，剩余10%直接排空；電池堆工作溫度為700°C。[0040]當(dāng)燃料電池堆工作時，炭黑粉末存放在碳燃料倉14中，CO2氣體流過碳燃料倉14， 攜帶炭黑粉末形成陽極入口混合物12，流入陽極氣體流道8，由于陽極11上均勻分布有與陽極氣體流道8連通的陽極板開孔15，在陽極氣體流道8中炭黑粉末會穿過陽極板開孔15 與電解質(zhì)隔膜10中的熔融電解質(zhì)直接接觸，并粘附在電解質(zhì)隔膜10上。這樣，陽極板開孔 15就形成了一個個炭黑粉末存儲腔體，供燃料電池陽極反應(yīng)所用。陰極氣體5流過陰極氣體流道3，陰極氣體5中的O2與(X)2發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)生成C032-，C032-通過擴(kuò)散和毛細(xì)作用穿過電解質(zhì)隔膜10傳導(dǎo)至陽極11，將陽極板開孔15中的炭黑粉末氧化生成CO2,同時釋放出的電子通過外電路到達(dá)陰極9并釋放電能，剩余陰極氣體5在陰極氣體流道3的出口排空。陽極反應(yīng)后生成的CO2氣體、未粘附炭黑粉末以及攜帶炭黑粉末的(X)2氣體組成陽極出口混合物6。陽極出口混合物6從陽極氣體流道8的出口全部引入旋風(fēng)分離器7中，經(jīng)過旋風(fēng)分離作用，從(X)2氣體中分離出未反應(yīng)的炭黑粉末通過碳燃料回路13返回碳燃料倉14。 旋風(fēng)分離器7排氣管的CO2氣體通過(X)2氣體回路1，50%進(jìn)入碳燃料倉14，用于炭黑粉末的氣體輸送，40%進(jìn)入陰極氣體流道3，與氧氣按照2 1混合后用作陰極氣體5，剩余10% 直接排空。[0041]本實施例能夠保證氣體送粉式熔融碳酸鹽直接碳燃料電池單體開路電壓在0. 9V 以上。[0042]實施例三[0043]與實施例一的不同在于，陽極氣體流道8和陰極氣體流道3方向彼此相同，呈逆流流型；燃料電池單體的數(shù)量為50個，電池單體尺寸約40CmX40Cm ；采用43% Li2C03-21% Na2C03-36% K2CO3的混合物作為電解質(zhì)；采用粒徑Imm IOnm的煤作為固體碳燃料；采用 2 1的CO2與空氣的混合物作為陰極氣體；采用純CO2作為陽極送粉氣體，反應(yīng)后旋風(fēng)分離器排氣管出口 CO2 20%進(jìn)入碳燃料倉，用于煤粉的氣體輸送，40%進(jìn)入陰極氣體流道，與空氣按照2 1混合后用作陰極氣體，剩余40%直接排空；電池堆工作溫度為750°C。[0044]當(dāng)燃料電池堆工作時，煤粉存放在碳燃料倉14中，CO2氣體流過碳燃料倉14，攜帶煤粉形成陽極入口混合物12，流入陽極氣體流道8，由于陽極11上均勻分布有與陽極氣體流道8連通的陽極板開孔15，在陽極氣體流道8中煤粉會穿過陽極板開孔15與電解質(zhì)隔膜10中的熔融電解質(zhì)直接接觸，并粘附在電解質(zhì)隔膜10上。這樣，陽極板開孔15就形成了一個個煤粉存儲腔體，供燃料電池陽極反應(yīng)所用。陰極氣體5流過陰極氣體流道3，陰極氣體5中的O2與(X)2發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)生成C032-，C032-通過擴(kuò)散和毛細(xì)作用穿過電解質(zhì)隔膜10傳導(dǎo)至陽極11，將陽極板開孔15中的煤粉氧化生成CO2,同時釋放出的電子通過外電路到達(dá)陰極9并釋放電能，剩余陰極氣體5在陰極氣體流道3的出口排空。陽極反應(yīng)后生成的(X)2氣體、未粘附煤粉以及攜帶煤粉的(X)2氣體組成陽極出口混合物6。陽極出口混合物6從陽極氣體流道8的出口全部引入旋風(fēng)分離器7中，經(jīng)過旋風(fēng)分離作用，從(X)2氣體中分離出未反應(yīng)的煤粉通過碳燃料回路13返回碳燃料倉14。旋風(fēng)分離器7排氣管的(X)2氣體通過0)2氣體回路1，20%進(jìn)入碳燃料倉14，用于煤粉的氣體輸送，40%進(jìn)入陰極氣體流道3，與空氣按照2 1混合后用作陰極氣體5，剩余40%直接排空。[0045]本實施例能夠保證氣體送粉式熔融碳酸鹽直接碳燃料電池單體開路電壓在0. 9V 以上。[0046]實施例四[0047]與實施例一的不同在于，陽極氣體流道8和陰極氣體流道3方向彼此相同，呈順流流型；燃料電池單體的數(shù)量為100個，電池單體尺寸約15cmX 15cm ；采用純K2CO3作為電解質(zhì)；采用粒徑5mm 500 μ m的焦炭作為固體碳燃料；采用4 1的CO2與氧氣的混合物作為陰極氣體；采用純CO2作為陽極送粉氣體，反應(yīng)后旋風(fēng)分離器排氣管出口 (X)2 20%進(jìn)入碳燃料倉，用于焦炭粉末的氣體輸送，70%進(jìn)入陰極氣體流道，與氧氣按照4 1混合后用作陰極氣體，剩余10%直接排空；電池堆工作溫度為800°C。[0048]當(dāng)燃料電池堆工作時，焦炭粉末存放在碳燃料倉14中，(X)2氣體流過碳燃料倉14， 攜帶焦炭粉末形成陽極入口混合物12，流入陽極氣體流道8，由于陽極11上均勻分布有與陽極氣體流道8連通的陽極板開孔15，在陽極氣體流道8中焦炭粉末會穿過陽極板開孔15 與電解質(zhì)隔膜10中的熔融電解質(zhì)直接接觸，并粘附在電解質(zhì)隔膜10上。這樣，陽極板開孔 15就形成了一個個焦炭粉末存儲腔體，供燃料電池陽極反應(yīng)所用。陰極氣體5流過陰極氣體流道3，陰極氣體5中的O2與(X)2發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)生成C032-，C032-通過擴(kuò)散和毛細(xì)作用穿過電解質(zhì)隔膜10傳導(dǎo)至陽極11，將陽極板開孔15中的焦炭粉末氧化生成CO2,同時釋放出的電子通過外電路到達(dá)陰極9并釋放電能，剩余陰極氣體5在陰極氣體流道3的出口排空。陽極反應(yīng)后生成的CO2氣體、未粘附焦炭粉末以及攜帶焦炭粉末的(X)2氣體組成陽極出口混合物6。陽極出口混合物6從陽極氣體流道8的出口全部引入旋風(fēng)分離器7中，經(jīng)過旋風(fēng)分離作用，從(X)2氣體中分離出未反應(yīng)的焦炭粉末通過碳燃料回路13返回碳燃料倉14。 旋風(fēng)分離器7排氣管的CO2氣體通過(X)2氣體回路1，20%進(jìn)入碳燃料倉14，用于焦炭粉末的氣體輸送，70%進(jìn)入陰極氣體流道3，與氧氣按照4 1混合后用作陰極氣體5，剩余10% 直接排空。[0049]本實施例能夠保證氣體送粉式熔融碳酸鹽直接碳燃料電池單體開路電壓在0. 9V 以上。[0050]實施例五[0051]與實施例一的不同在于，陽極氣體流道8和陰極氣體流道3方向彼此相同，呈逆流流型；燃料電池單體的數(shù)量為10個，電池單體尺寸約50CmX50Cm ；采用純Na2CO3作為電解質(zhì)；采用粒徑Imm 100 μ m的活性炭作為固體碳燃料；采用3 1的CO2與空氣的混合物作為陰極氣體；采用純CO2作為陽極送粉氣體，反應(yīng)后旋風(fēng)分離器排氣管出口 (X)2 20%進(jìn)入碳燃料倉，用于活性炭粉末的氣體輸送，60%進(jìn)入陰極氣體流道，與氧氣按照3 1混合后用作陰極氣體，剩余20%直接排空；電池堆工作溫度為600°C。[0052]當(dāng)燃料電池堆工作時，活性炭粉末存放在碳燃料倉14中，CO2氣體流過碳燃料倉 14，攜帶活性炭粉末形成陽極入口混合物12，流入陽極氣體流道8，由于陽極11上均勻分布有與陽極氣體流道8連通的陽極板開孔15，在陽極氣體流道8中活性炭粉末會穿過陽極板開孔15與電解質(zhì)隔膜10中的熔融電解質(zhì)直接接觸，并粘附在電解質(zhì)隔膜10上。這樣，陽極板開孔15就形成了一個個活性炭粉末存儲腔體，供燃料電池陽極反應(yīng)所用。陰極氣體 5流過陰極氣體流道3，陰極氣體5中的O2與CO2發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)生成C032-，CO『通過擴(kuò)散和毛細(xì)作用穿過電解質(zhì)隔膜10傳導(dǎo)至陽極11，將陽極板開孔15中的活性炭粉末氧化生成 CO2，同時釋放出的電子通過外電路到達(dá)陰極9并釋放電能，剩余陰極氣體5在陰極氣體流道3的出口排空。陽極反應(yīng)后生成的(X)2氣體、未粘附活性炭粉末以及攜帶活性炭粉末的 CO2氣體組成陽極出口混合物6。陽極出口混合物6從陽極氣體流道8的出口全部引入旋8風(fēng)分離器7中，經(jīng)過旋風(fēng)分離作用，從(X)2氣體中分離出未反應(yīng)的活性炭粉末通過碳燃料回路13返回碳燃料倉14。旋風(fēng)分離器7排氣管的(X)2氣體通過(X)2氣體回路1，20%進(jìn)入碳燃料倉14，用于活性炭粉末的氣體輸送，60%進(jìn)入陰極氣體流道3，與空氣按照3 1混合后用作陰極氣體5，剩余20%直接排空。[0053]本實施例能夠保證氣體送粉式熔融碳酸鹽直接碳燃料電池單體開路電壓在0. 9V 以上。[0054]實施例六[0055]與實施例一的不同在于，燃料電池單體的數(shù)量為20個，電池單體尺寸約 40cmX 40cm ；采用純Li2CO3作為電解質(zhì)；采用粒徑Imm IOOnm的生物質(zhì)作為固體碳燃料； 采用2 1的(X)2與空氣的混合物作為陰極氣體；采用純(X)2作為陽極送粉氣體，反應(yīng)后旋風(fēng)分離器排氣管出口(X)2 40%進(jìn)入碳燃料倉，用于生物質(zhì)粉末的氣體輸送，40%進(jìn)入陰極氣體流道，與空氣按照2 1混合后用作陰極氣體，剩余20%直接排空；電池堆工作溫度為 680 "C。[0056]當(dāng)燃料電池堆工作時，生物質(zhì)粉末存放在碳燃料倉14中，CO2氣體流過碳燃料倉 14，攜帶生物質(zhì)粉末形成陽極入口混合物12，流入陽極氣體流道8，由于陽極11上均勻分布有與陽極氣體流道8連通的陽極板開孔15，在陽極氣體流道8中生物質(zhì)粉末會穿過陽極板開孔15與電解質(zhì)隔膜10中的熔融電解質(zhì)直接接觸，并粘附在電解質(zhì)隔膜10上。這樣，陽極板開孔15就形成了一個個生物質(zhì)粉末存儲腔體，供燃料電池陽極反應(yīng)所用。陰極氣體 5流過陰極氣體流道3，陰極氣體5中的O2與CO2發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)生成C032-，CO『通過擴(kuò)散和毛細(xì)作用穿過電解質(zhì)隔膜10傳導(dǎo)至陽極11，將陽極板開孔15中的生物質(zhì)粉末氧化生成 CO2，同時釋放出的電子通過外電路到達(dá)陰極9并釋放電能，剩余陰極氣體5在陰極氣體流道3的出口排空。陽極反應(yīng)后生成的(X)2氣體、未粘附生物質(zhì)粉末以及攜帶生物質(zhì)粉末的 CO2氣體組成陽極出口混合物6。陽極出口混合物6從陽極氣體流道8的出口全部引入旋風(fēng)分離器7中，經(jīng)過旋風(fēng)分離作用，從CO2氣體中分離出未反應(yīng)的生物質(zhì)粉末通過碳燃料回路13返回碳燃料倉14。旋風(fēng)分離器7排氣管的(X)2氣體通過(X)2氣體回路1，40%進(jìn)入碳燃料倉14，用于生物質(zhì)粉末的氣體輸送，40%進(jìn)入陰極氣體流道3，與空氣按照2 1混合后用作陰極氣體5，剩余20%直接排空。[0057]本實施例能夠保證氣體送粉式熔融碳酸鹽直接碳燃料電池單體開路電壓在0. 9V 以上。[0058]實施例七[0059]與實施例一的不同在于，燃料電池單體的數(shù)量為150個，電池單體尺寸約 IOcmX IOcm;采用43% Na2C03-57 % K2CO3的混合物作為電解質(zhì)；采用粒徑2mm IOnm的石油焦作為固體碳燃料；采用1 1 1的CO2、氧氣、空氣的混合物作為陰極氣體；采用純 CO2作為陽極送粉氣體，反應(yīng)后旋風(fēng)分離器排氣管出口(X)2 20%進(jìn)入碳燃料倉，用于石油焦粉末的氣體輸送，60%進(jìn)入陰極氣體流道，與氧氣、空氣按照1 1 1混合后用作陰極氣體，剩余20%直接排空；電池堆工作溫度為760°C。[0060]當(dāng)燃料電池堆工作時，石油焦粉末存放在碳燃料倉14中，CO2氣體流過碳燃料倉 14，攜帶石油焦粉末形成陽極入口混合物12，流入陽極氣體流道8，由于陽極11上均勻分布有與陽極氣體流道8連通的陽極板開孔15，在陽極氣體流道8中石油焦粉末會穿過陽極板開孔15與電解質(zhì)隔膜10中的熔融電解質(zhì)直接接觸，并粘附在電解質(zhì)隔膜10上。這樣，陽極板開孔15就形成了一個個石油焦粉末存儲腔體，供燃料電池陽極反應(yīng)所用。陰極氣體5流過陰極氣體流道3，陰極氣體5中的O2與CO2發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)生成C032-，C032-通過擴(kuò)散和毛細(xì)作用穿過電解質(zhì)隔膜10傳導(dǎo)至陽極11，將陽極板開孔15中的石油焦粉末氧化生成CO2, 同時釋放出的電子通過外電路到達(dá)陰極9并釋放電能，剩余陰極氣體5在陰極氣體流道3 的出口排空。陽極反應(yīng)后生成的(X)2氣體、未粘附石油焦粉末以及攜帶石油焦粉末的(X)2氣體組成陽極出口混合物6。陽極出口混合物6從陽極氣體流道8的出口全部引入旋風(fēng)分離器7中，經(jīng)過旋風(fēng)分離作用，從CO2氣體中分離出未反應(yīng)的石油焦粉末通過碳燃料回路13 返回碳燃料倉14。旋風(fēng)分離器7排氣管的CO2氣體通過(X)2氣體回路1，20%進(jìn)入碳燃料倉 14，用于石油焦粉末的氣體輸送，60%進(jìn)入陰極氣體流道3，與氧氣、空氣按照1 1 1混合后用作陰極氣體5，剩余20 %直接排空。[0061] 本實施例能夠保證氣體送粉式熔融碳酸鹽直接碳燃料電池單體開路電壓在0. 9V 以上。
權(quán)利要求1.一種熔融碳酸鹽直接碳燃料電池堆，由多個燃料電池單體堆疊而成，其特征在于，所述燃料電池單體自上而下由陽極集流板O)、陽極(11)、電解質(zhì)隔膜(10)、陰極(9)和陰極集流板(4)壓緊組成，陽極集流板( 上開有多條水平平行的陽極氣體流道(8)，陰極集流板⑷開有多條水平平行的陰極氣體流道(3)，陽極(11)上均布有多個陽極板開孔(15)， 每個陽極板開孔(1 都與一個或者多個陽極氣體流道(8)連通，陽極氣體流道(8)的入口連通碳燃料倉(14)的給料口，陽極氣體流道(8)的出口連通旋風(fēng)分離器(7)的送風(fēng)口，旋風(fēng)分離器(7)的排氣管、碳燃料倉(14)的載氣入口以及陰極氣體流道(3)的入口之間有 CO2氣體回路(1)，旋風(fēng)分離器(7)的排灰管與碳燃料倉(14)的進(jìn)料口之間有碳燃料回路(13)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熔融碳酸鹽直接碳燃料電池堆，其特征在于，所述陰極氣體流道( 和陽極氣體流道(8)相互垂直。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熔融碳酸鹽直接碳燃料電池堆，其特征在于，所述陰極氣體流道( 和陽極氣體流道(8)相互平行。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熔融碳酸鹽直接碳燃料電池堆，其特征在于，所述碳燃料倉(14)中配置有碳燃料，所述的碳燃料為石墨、炭黑、焦炭、煤、活性炭、生物質(zhì)或者石油焦。
專利摘要一種熔融碳酸鹽直接碳燃料電池堆，包括燃料電池單體、旋風(fēng)分離器、碳燃料倉、碳燃料回路、CO2氣體回路等部件；燃料電池堆由多個燃料電池單體堆疊而成；固體碳燃料粉末存放在碳燃料倉中，CO2氣體流過碳燃料倉，攜帶碳燃料粉末流入陽極氣體流道，碳燃料粉末穿過陽極板開孔與電解質(zhì)隔膜中的熔融電解質(zhì)直接接觸，并粘附在電解質(zhì)隔膜上，供燃料電池陽極反應(yīng)。陽極反應(yīng)后通過旋風(fēng)分離器將未反應(yīng)碳燃料粉末與CO2氣體分離，碳燃料粉末回收利用，分離后CO2氣體部分送往碳燃料倉，用于攜帶碳燃料粉末，部分進(jìn)入陰極氣體流道，參與陰極反應(yīng)，剩余直接排空；本實用新型解決了直接碳燃料電池的固體碳燃料連續(xù)給料難題，結(jié)構(gòu)緊湊合理，便于放大。
文檔編號H01M8/02GK202308175SQ201120326939
公開日2012年7月4日 申請日期2011年9月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月1日
發(fā)明者徐越, 李晨, 王保民, 程健, 許世森 申請人:中國華能集團(tuán)清潔能源技術(shù)研究院有限公司