CN100347891C

CN100347891C - 流化床电极直接炭转化燃料电池方法及转化装置

Info

Publication number: CN100347891C
Application number: CNB2005100410473A
Authority: CN
Inventors: 仲兆平; 金保升; 黄亚继
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2005-07-15
Filing date: 2005-07-15
Publication date: 2007-11-07
Anticipated expiration: 2025-07-15
Also published as: CN1741310A

Abstract

本发明公开了一种流化床电极直接炭转化燃料电池方法，用微孔金属隔板分隔并形成三相流化床的阴极和阳极，在阴极和阳极置入金属筒，以碳酸盐为电解质，以镍粉或镍铬合金粉为催化剂，将炭粉颗粒、催化剂颗粒和电解质放入阳极，将催化剂颗粒和电解质放入阴极，对其加热，将二氧化碳气体通入阳极，将二氧化碳、空气的混合气体通入阴极，经电化学反应后，转化成燃料电池；用于实施该方法的转化装置，包括反应筒，上有加热器，内有微孔隔板，分阳极室和阴极室，阳极室内和阴极室内均有电流收集器、底部均有流化气体入口、顶部均有流化气体出口；本发明能够提高电流密度。

Description

流化床电极直接炭转化燃料电池方法及转化装置

技术领域

本发明涉及一种流化床电极直接炭转化燃料电池技术，尤其涉及一种流化床电极直接炭转化燃料电池方法及转化装置。

背景技术

随着我国国民经济的持续、快速发展，能源的洁净高效利用逐渐成为非常紧迫的问题。传统的能源利用方式是首先将燃料的化学能转变成热能，然后再转变成机械能和电能，由于受卡诺循环及材料的限制，发电效率只有30％左右，且在发电过程中产生了严重的废水、废气、废渣、废热和噪声污染。燃料电池是一种将燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的装置，它不受卡诺循环的限制，发电效率可达50～70％；与传统的火电机组相比：NOx(＜2ppm)和SO₂(＜1ppm)排放量很少，CO₂排放量可减少40～60％，噪音低(＜60dB)；模块化结构；变负荷率高(20～120％)；既可集中供电也适合分散供电；占地面积小。因此，燃料电池被称为是继水电、火电和核电之后的第四代发电装置。预期燃料电池会在国防和民用的电力、汽车、通讯和计算机等领域发挥重要作用。

由于燃料电池具有能量转化效率高、污染极小、用水少、占地小等突出优点，在发达国家已受到政府和企业的高度重视。目前我国是世界上CO₂气体排放第二大国，减排CO₂的压力十分巨大，高效率利用能源，是大幅度地降低CO₂的排放有效措施之一。

本世纪初，以美国Lawrance国家实验室J.F.Cooper教授为代表的一些科学家致力于开发一种直接以炭粉为燃料的新型燃料电池。由于这种电池不需要将固体燃料进行气化，使整个系统成本大幅度降低，因而它受到了燃料电池研究专家和学者的高度重视。该燃料电池以熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)为基础，阴极仍通入空气和CO₂，阳极则由原来的氢气流改为直接加入由生物质(或煤)制得的炭粉，Cooper等人的研究发现：这种直接炭转化燃料电池，在相同的电池电压下可以获得与使用氢作燃料的熔融碳酸盐燃料电池相当的电流密度，这表明直接炭转化燃料电池有着相当诱人的情景。2003美国Scientific Applications &Research Associates(SARA)公司的Strahinja Zecevic等人报告了基于金属氢氧化物做电解质的直接炭转化燃料电池。美国CellTech Power公司的Thomas Tao也在进行直接炭转化燃料电池的研究。上世纪九十年代末期，日本东京大学Y.Matsuno、日本Kyushu大学Katsuki、美国Newcastle大学T.Berent等人开展了大量以流化床电极作燃料电池电极的研究工作，这些研究均是以氢作为燃料。

发明内容

本发明提供一种能够提高电流密度的流化床电极直接炭转化燃料电池方法及转化装置。

本发明采用如下技术方案：

本发明所述方法，即：一种流化床电极直接炭转化燃料电池方法，用微孔金属隔板分隔并形成三相流化床的阴极和阳极，在阴极和阳极分别置入其上设有孔的金属筒，作为阴极电流收集器和阳极电流收集器，以碳酸盐为电解质，以镍粉或镍铬合金粉为催化剂，将炭粉颗粒、催化剂颗粒和电解质放入阳极，将催化剂颗粒和电解质放入阴极，再对其进行加热，使电解质融化，然后，将作为阳极流化气体的二氧化碳气体通入阳极，将作为阴极流化气体的二氧化碳气体和空气的混合气体通入阴极，且二氧化碳气体在该混合气体中的浓度百分比为10％-50％，经电化学反应后，转化成燃料电池。

本发明所述转化装置，即：一种用于实施上述流化床电极直接炭转化燃料电池方法的转化装置，包括反应筒，在反应筒上设有加热器，在反应筒内设有微孔隔板且由微孔隔板将反应筒分隔形成阳极室和阴极室，在阳极室内设有阳极电流收集器，在阴极室内设有阴极电流收集器，阳极电流收集器及阴极电流收集器均为金属筒且该金属筒上设有孔，在阳极室的底部设有阳极流化气体入口，在阳极室的顶部设有阳极流化气体出口，在阴极室的底部设有阴极流化气体入口，在阴极室的顶部设有阴极流化气体出口，在上述阳极室和阴极室内放置有电解质，在阳极电流收集器内放置有炭粉颗粒和催化剂颗粒，在阴极室内放置有催化剂颗粒。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明基于以下原理实现转化：

阳极反应为：C+2CO₃ ^2-→3CO₂+4e

阴极反应为：O₂+2CO₂+4e→2CO₃ ^2-

直接炭转化燃料电池的总的电池反应为：

C+O₂→CO₂

本发明是将炭粉颗粒、催化剂颗粒、电解质和电流收集器放入阳极，催化剂颗粒、电解质和电流收集器放入阴极，利用外部电加热系统将该燃料电池升温，待电解质融化后，阳极通入CO₂、阴极通入空气和CO₂混合物(CO₂浓度为10～50％)做流化介质，形成气、液、固三相流化床电极；阳极和阴极之间由微孔隔板分开，该隔板可阻止两极间颗粒相互交换，但可进行碳酸根离子的扩散；阴、阳极内电流收集器用导线相连，连接线路中设有电流表指示所产生的电流，上述气、液、固三相流化床电极传热传质效果好、边界层扩散阻力小，较之常规的固定床电极其电流密度可提高20～30％。此外，本发明中采用原料来源广、价格相对便宜的炭粉代替常规燃料电池中单位价格高且储存和运输困难的气体燃料，通过直接炭转化省去了燃料气重整环节，其运行费用较低。使用可实现CO₂的生物循环的生物质制得的炭粉做燃料，能做到CO₂的零排放。由于炭粉经过脱挥发份、除灰等精处理，使该种燃料电池的其它环境污染物如SO2、NOx等排放量极小。阴、阳极内均设有表面积大且对电化学发应影响较小的电流收集器，电流收集效率高。采用混合碳酸盐或氢氧化物做电解质，床温可保持在较低水平，设备投资成本相应降低。阴、阳极间微孔隔板的结构为：一块金属板上开有许多微孔，微孔呈等腰三角形均布，孔径跟碳酸根离子团直接相当，孔间距为孔径的2～5倍。阴、阳极间微孔隔板的材质为：镍或镍铬合金，其优点为：可以替代贵金属作为电化学反应的部分催化剂。

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图。

图2是本发明微孔金属隔板的结构示意图。

具体实施方式

实施例1

一种流化床电极直接炭转化燃料电池方法，用微孔金属隔板分隔并形成三相流化床的阴极9和阳极5，在阴极9和阳极5分别置入其上设有孔的金属筒，作为阴极电流收集器和阳极电流收集器，以碳酸盐为电解质，以镍粉或镍铬合金粉为催化剂，将炭粉颗粒2、催化剂颗粒3和电解质4放入阳极5，将催化剂颗粒3和电解质10放入阴极9，再对其进行加热，使电解质融化，然后，将作为阳极流化气体的二氧化碳气体通入阳极，将作为阴极流化气体的二氧化碳气体和空气的混合气体通入阴极，且二氧化碳气体在该混合气体中的浓度为10％-50％，经电化学反应后，转化成燃料电池，在本实施例中，碳酸盐可以具体采用如下四种具体技术措施中的任意一种：(1)碳酸盐包括碳酸锂和碳酸钠，其质量百分比为20～50％∶50～80％，本实施例可以选用20％∶50％、50％∶80％、34％∶65％、43％∶75％或45％∶55％；(2)碳酸盐包括碳酸锂和碳酸钾，其质量百分比为20～50％∶50～80％，本实施例可以选用20％∶50％、50％∶80％、38％∶64％、41％∶70％或45％∶55％；(3)碳酸盐包括碳酸钠和碳酸钾，其质量百分比为20～50％∶50～80％，本实施例可以选用20％∶50％、50％∶80％、35％∶60％、48％∶58％或47％∶52％；(4)碳酸盐由碳酸锂、碳酸钠和碳酸钾组成，其质量百分比为10～30％∶35～45％∶35～45％，本实施例可以选用10％∶35％∶35％、15％∶37％∶43％、20％∶40％∶40％、22％∶43％∶37％或30％∶45％∶45％；炭粉颗粒2采用微米级碳粉；催化剂颗粒3采用亚微米级镍粉或镍铬合金粉。

实施例2

一种用于实施上述流化床电极直接炭转化燃料电池方法的转化装置，包括反应筒15，在反应筒15上设有加热器，在反应筒15内设有微孔隔板14且由微孔隔板14将反应筒15分隔形成阳极室5和阴极室9，在阳极室5内设有阳极电流收集器11，在阴极室9内设有阴极电流收集器12，阳极电流收集器11及阴极电流收集器12均为金属筒且该金属筒上设有孔，在阳极室5的底部设有阳极流化气体入口1，在阳极室5的顶部设有阳极流化气体出口6，在阴极室9的底部设有阴极流化气体入口13，在阴极室9的顶部设有阴极流化气体出口8，在上述阳极室5和阴极室9内放置有电解质，在阳极电流收集器11内放置有炭粉颗粒2和催化剂颗粒3，在阴极室9内放置有催化剂颗粒3，在本实施例中，微孔隔板14为镍或镍铬合金板，其上的微孔孔径为与碳酸根离子直径相当，例如：微孔孔径可取与碳酸根离子粒径同一数量级的数值；微孔呈等腰三角形排列；在阳极电流收集器11及阴极电流收集器12上孔的孔径为4mm-12mm。

Claims

1、一种流化床电极直接炭转化燃料电池方法，其特征在于用微孔金属隔板分隔并形成三相流化床的阴极(9)和阳极(5)，在阴极(9)和阳极(5)分别置入其上设有孔的金属筒，作为阴极电流收集器和阳极电流收集器，以碳酸盐为电解质，以镍粉或镍铬合金粉为催化剂，将炭粉颗粒(2)、催化剂颗粒(3)和电解质(4)放入阳极(5)，将催化剂颗粒(3)和电解质(10)放入阴极(9)，再对其进行加热，使电解质融化，然后，将作为阳极流化气体的二氧化碳气体通入阳极，将作为阴极流化气体的二氧化碳气体和空气的混合气体通入阴极，且二氧化碳气体在该混合气体中的浓度百分比为10％-50％，经电化学反应后，转化成燃料电池。

2、根据权利要求1所述的流化床电极直接炭转化燃料电池方法，其特征在于碳酸盐包括碳酸锂和碳酸钠，其质量百分比为20～50％∶50～80％。

3、根据权利要求1所述的流化床电极直接炭转化燃料电池方法，其特征在于碳酸盐包括碳酸锂和碳酸钾，其质量百分比为20～50％∶50～80％。

4、根据权利要求1所述的流化床电极直接炭转化燃料电池方法，其特征在于碳酸盐包括碳酸钠和碳酸钾，其质量百分比为20～50％∶50～80％。

5、根据权利要求1所述的流化床电极直接炭转化燃料电池方法，其特征在于碳酸盐由碳酸锂、碳酸钠和碳酸钾组成，其质量百分比为10～30％∶35～45％∶35～45％。

6、根据权利要求1所述的流化床电极直接炭转化燃料电池方法，其特征在于炭粉颗粒(2)采用微米级碳粉，催化剂颗粒(3)采用亚微米级镍粉或镍铬合金粉。

7、一种用于实施权利要求1所述流化床电极直接炭转化燃料电池方法的转化装置，包括反应筒(15)，其特征在于在反应筒(15)上设有加热器，在反应筒(15)内设有微孔隔板(14)且由微孔隔板(14)将反应筒(15)分隔形成阳极室(5)和阴极室(9)，在阳极室(5)内设有阳极电流收集器(11)，在阴极室(9)内设有阴极电流收集器(12)，阳极电流收集器(11)及阴极电流收集器(12)均为金属筒且该金属筒上设有孔，在阳极室(5)的底部设有阳极流化气体入口(1)，在阳极室(5)的顶部设有阳极流化气体出口(6)，在阴极室(9)的底部设有阴极流化气体入口(13)，在阴极室(9)的顶部设有阴极流化气体出口(8)，在上述阳极室(5)和阴极室(9)内放置有电解质，在阳极电流收集器(11)内放置有炭粉颗粒(2)和催化剂颗粒(3)，在阴极室(9)内放置有催化剂颗粒(3)。

8、根据权利要求7所述的转化装置，其特征在于微孔隔板(14)为镍或镍铬合金板，其上的微孔孔径与碳酸根离子直径相当。

9、根据权利要求7所述的转化装置，其特征在于微孔呈等腰三角形排列。

10、根据权利要求7所述的转化装置，其特征在于在阳极电流收集器(11)及阴极电流收集器(12)上孔的孔径为4mm-12mm。