CN102306822B - 一种气体送粉式熔融碳酸盐直接碳燃料电池堆 - Google Patents

一种气体送粉式熔融碳酸盐直接碳燃料电池堆 Download PDF

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Abstract

一种气体送粉式熔融碳酸盐直接碳燃料电池堆，包括燃料电池单体、旋风分离器、碳燃料仓、碳燃料回路、CO2气体回路等部件；燃料电池堆由多个燃料电池单体堆叠而成；固体碳燃料粉末存放在碳燃料仓中，CO2气体流过碳燃料仓，携带碳燃料粉末流入阳极气体流道，碳燃料粉末穿过阳极板开孔与电解质隔膜中的熔融电解质直接接触，并粘附在电解质隔膜上，供燃料电池阳极反应。阳极反应后通过旋风分离器将未反应碳燃料粉末与CO2气体分离，碳燃料粉末回收利用，分离后CO2气体部分送往碳燃料仓，用于携带碳燃料粉末，部分进入阴极气体流道，参与阴极反应，剩余直接排空；本发明解决了直接碳燃料电池的固体碳燃料连续给料难题，结构紧凑合理，便于放大。

Description

一种气体送粉式熔融碳酸盐直接碳燃料电池堆
技术领域
本发明属于碳燃料电池技术领域，具体涉及一种气体送粉式熔融碳酸盐直接碳燃料电池堆。
背景技术
能源是国民经济的支柱，是人类社会发展所必需的推动力。从工业革命开始，人类动力主要通过热机获得。但是，由于热机受“卡诺极限”的限制，效率提高较为困难，造成能源的浪费，同时排放出大量污染物，严重危害人类生存环境。因此，探索清洁、环保、高效的能源利用方式成为世界能源发展的必然方向。
燃料电池能够将燃料中的化学能直接转化为电能，具有能量转换效率高、洁净无污染、噪声低、模块结构性强等优点，有望成为未来能源供应系统的重要组成部分。与常规燃料电池不同，直接碳燃料电池(Direct Carbon Fuel Cell，DCFC)采用固体碳作为燃料，将其中的化学能直接转化为电能，其独特优势在于：理论效率更高，接近100％；反应物固体碳和产物二氧化碳分别以固、气两相存在，在保持理论电压不变情况下，燃料利用率仍可达100％；固体碳燃料资源丰富廉价，从世界范围来看，煤炭资源储量丰富，价格便宜，而固体碳燃料有望通过对煤炭、生物质等进行简单加工处理得到，燃料来源广泛；固体碳燃料体积小、热值高，运输与储藏方便；碳燃料直接转化为二氧化碳，路径单一，有利于二氧化碳的富集与减排。
直接碳燃料电池根据所用电解质的不同可分为多种类型，其中，熔融碳酸盐直接碳燃料电池的电流密度较高，碳燃料和电解质发生液固反应，反应速率快，且不存在碳酸盐电解质的消耗，反应生成物中二氧化碳比例高，是目前最成熟的直接碳燃料电池技术。
1975年，Weaver(Weaver R D，Tietz L，Cubicciotti D.Direct use ofcoal in a fuel cell：Feasibility investigation.USA：Stanford ResearchInst.，1975.)首次以熔融碳酸盐作为电解质材料，研制了工作温度750℃的直接碳燃料电池单体。20世纪90年代，熔融碳酸盐直接碳燃料电池研究增多，与碳酸盐性质相似的硼酸盐和硅酸盐也曾用作电解质材料，但其熔点温度太高，性能不如碳酸盐材料。到目前为止，熔融碳酸盐型直接碳燃料电池的研究最为广泛，其工作原理是：
当电池外接负载时，阴极O2得到电子被还原，与CO2结合生成
Figure BDA0000088418140000021
在熔融碳酸盐电解质内部通过扩散和毛细作用传导至阳极，将阳极C氧化生成CO2，同时释放出的电子通过外部负载到达阴极，形成外电路并释放电能。阳极产生的CO2中，三分之二通过电池外部输运到阴极循环利用，剩余三分之一排空。
阳极反应：
Figure BDA0000088418140000022
阴极反应：
Figure BDA0000088418140000023
总反应：C+O2→CO2
劳伦斯利弗莫尔国家实验室的Cooper等人(Cooper J F.Directconversion of coal derived carbon in fuel cells.//Basu S.Recent trendsin fuel cell science and technology，New Delhi：Anamaya，2007：248-266；Cooper J F.Direct conversion of coal and coal-derived carbon in fuelcells.Proceedings of the 2nd international conference on fuel cellscience，engineering and technology，2004：375-385.)以32％Li2CO3-68％K2CO3为电解质、碳粉与熔盐混合碳泥为阳极、泡沫镍为阴极制备了一种倾斜式结构直接碳燃料电池，针对9种不同碳燃料，测定了比表面积、颗粒尺寸和结晶度对燃料电池性能的影响。
昆士兰大学LI等人(Li X，Zhu Z H，Marco R D，et al.Factors thatdetermine 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 performanceof carbon fuels in the direct carbon fuel cell.Industrial & EngineeringChemistry Research，2008，47(23)：9670-9677.)在600-800℃范围内，以活性碳、炭黑和石墨化碳为燃料，测量分析了碳燃料物性与直接碳燃料电池电化学反应特性关系。研究发现高的中孔比表面积和富氧表面基元有利于电池性能的提高。采用HNO3、HCl和等离子场对碳燃料进行预处理后，能改善碳燃料电化学反应活性。其中HNO3预处理效果最好，在800℃和0.6V工作电压下电流密度约1600A·m-2。哈尔滨工程大学Cao等人(Cao D，Wang G，Wang C，et al.Enhancement of electrooxidation activity of activated carbon for directcarbon fuel cell.International Journal of Hydrogen Energy，2010，35(4)：1778-1782.)发现采用HF、HNO3和NaOH对碳燃料进行预处理并浸透电解质，能够显著提高电池电化学反应活性。其中HF处理后电池性能最高，0.6V恒压放电时电流密度在30min内始终保持在800A·m-2以上，其电化学反应活性的提高与碳燃料处理后比表面积和孔隙结构增大有关。
天津大学Chen等人(Chen M，Wang C，Niu X，et al.Carbon anode indirect carbon fuel cell.International Journal of Hydrogen Energy，2010，35(7)：2732-2736.)在650℃下，以1.05∶1.2∶1的Li2CO3-K2CO3-Al2O3熔融混合物为电解质，获得1870W·m-2的最大功率密度。研究发现影响电池性能的主要因素为碳燃料晶体结构、润湿能力和电导率。
荷兰代尔夫特工业大学Peelen等人(Peelen WHA，Olivry M，Au SF，et al.Electrochemical oxidation of carbon in a 62/38 mol％Li/Kcarbonate melt.Journal of Applied Electrochemistry，2000，30(12)：1389-1395.)采用电化学阻抗谱和循环伏安法对熔融碳酸盐直接碳燃料电池中碳的电化学氧化过程进行了研究。当工作温度低于700℃时，电荷传递过程是反应速率控制步骤；当温度较高时，电池欧姆阻抗对性能影响更为显著。
受电池材料与技术发展限制，目前国内外熔融碳酸盐直接碳燃料电池研究多停留在单电池设计和实验研究阶段，燃料电池堆设计较少。同时，与传统使用气体燃料的燃料电池不同，直接碳燃料电池在实际应用过程中面临着固体碳燃料的连续给料问题，给燃料电池堆的设计带来进一步困难。
为了提高体积功率密度和能量密度，采用气体燃料的熔融碳酸盐燃料电池堆常采用多层平板式堆结构。遗憾的是，该燃料电池堆中阴、阳极腔体结构复杂、流道冗长，无法满足固体碳燃料的连续给料需求，目前相关报道较少。如果能采用气体送粉的给料方式，同时解决固体碳燃料粉末的留存以及与阳极接触的难题，就可以设计制造出功率密度高、紧凑实用的熔融碳酸盐直接碳燃料电池堆，大大推进相关技术的进步与推广应用。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种气体送粉式熔融碳酸盐直接碳燃料电池堆，采用气体送粉式结构，解决了直接碳燃料电池组堆的困难，以及固体碳燃料的连续给料问题，使燃料电池堆结构更加紧凑，提高了电池堆的体积功率密度，加强了电池堆内部传热传质过程，提高了电池堆整体性能，同时设备简单、易于实现，便于组成大规模电池组。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种气体送粉式熔融碳酸盐直接碳燃料电池堆，由多个燃料电池单体堆叠而成，所述燃料电池单体自上而下由阳极集流板2、阳极11、电解质隔膜10、阴极9和阴极集流板4压紧组成，阳极集流板2上开有多条水平平行的阳极气体流道8，阴极集流板4开有多条水平平行的阴极气体流道3，阳极11上均布有多个阳极板开孔15，每个阳极板开孔15都与一个或者多个阳极气体流道8连通，阳极气体流道8的入口连通碳燃料仓14的给料口，阳极气体流道8的出口连通旋风分离器7的送风口，旋风分离器7的排气管、碳燃料仓14的载气入口以及阴极气体流道3的入口之间有CO2气体回路1，旋风分离器7的排灰管与碳燃料仓14的进料口之间有碳燃料回路13。
所述阴极气体流道3和阳极气体流道8相互垂直或者相互平行。
所述碳燃料仓14中配置有碳燃料，所述的碳燃料为石墨、炭黑、焦炭、煤、活性炭、生物质或者石油焦，碳燃料的粒径为5mm～10nm。
所述电解质隔膜10中配置有熔融电解质，所述的熔融电解质为Li2CO3，K2CO3以及Na2CO3中的一种或几种。
进入阴极气体流道3中的阴极气体为空气与CO2气体的混合物、氧气与CO2气体的混合物或者空气、氧气、CO2三种气体的混合物。
电池堆的工作温度范围为600℃～800℃。
与现有技术相比，本发明的优点是：
1)采用气体送粉式结构，很好的解决了直接碳燃料电池的固体碳燃料连续给料难题；
2)平板式电池堆结构设计，解决直接碳燃料电池组堆的困难；
3)气体送粉加强了电池阳极传热传质过程，提高电池堆整体性能；
4)电池堆结构简单、设备要求低、易于实现，便于组成大规模电池组。
附图说明
图1是本发明整体结构示意图。
图2是燃料电池单体结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
实施例一
如图1和图2所示，一种气体送粉式熔融碳酸盐直接碳燃料电池堆，由30个燃料电池单体堆叠而成，所述燃料电池单体自上而下由阳极集流板2、阳极11、电解质隔膜10、阴极9和阴极集流板4压紧组成，阳极集流板2上开有多条水平平行的阳极气体流道8，阴极集流板4上开有多条水平平行的阴极气体流道3，阳极11上均布有多个阳极板开孔15，每个阳极板开孔15都与一个或者多个阳极气体流道8连通，阳极气体流道8的入口连通碳燃料仓14的给料口，阳极气体流道8的出口连通旋风分离器7的送风口，旋风分离器7的排气管、碳燃料仓14的载气入口以及阴极气体流道3的入口之间有CO2气体回路1，旋风分离器7的排灰管与碳燃料仓14的进料口之间有碳燃料回路13。
其中，阳极气体流道8和阴极气体流道3方向彼此垂直，呈交错流流型。30片燃料电池单体按照阳极11在上、阴极9在下方向堆叠成燃料电池堆。
本实施例中，电池单体尺寸约30cm ×30cm；采用62％Li2CO3-38％K2CO3的混合物作为电解质；采用粒径5mm～50μm的石墨作为固体碳燃料；采用1∶1的CO2与空气的混合物作为阴极气体；采用纯CO2作为阳极送粉气体，反应后旋风分离器排气管出口CO2 30％进入碳燃料仓，用于石墨粉末的气体输送，60％进入阴极气体流道，与空气按照1∶1混合后用作阴极气体，剩余10％直接排空；电池堆工作温度为650℃。
当燃料电池堆工作时，石墨粉末存放在碳燃料仓14中，CO2气体流过碳燃料仓14，携带石墨粉末形成阳极入口混合物12，流入阳极气体流道8，由于阳极11上均匀分布有与阳极气体流道8连通的阳极板开孔15，在阳极气体流道8中石墨粉末会穿过阳极板开孔15与电解质隔膜10中的熔融电解质直接接触，并粘附在电解质隔膜10上。这样，阳极板开孔15就形成了一个个石墨粉末存储腔体，供燃料电池阳极反应所用。阴极气体5流过阴极气体流道3，阴极气体5中的O2与CO2发生电化学反应生成
Figure BDA0000088418140000061
通过扩散和毛细作用穿过电解质隔膜10传导至阳极11，将阳极板开孔15中的石墨粉末氧化生成CO2，同时释放出的电子通过外电路到达阴极9并释放电能，剩余阴极气体5在阴极气体流道3的出口排空。阳极反应后生成的CO2气体、未粘附石墨粉末以及携带石墨粉末的CO2气体组成阳极出口混合物6。阳极出口混合物6从阳极气体流道8的出口全部引入旋风分离器7中，经过旋风分离作用，从CO2气体中分离出未反应的石墨粉末通过碳燃料回路13返回碳燃料仓14。旋风分离器7排气管的CO2气体通过CO2气体回路1，30％进入碳燃料仓14，用于石墨粉末的气体输送，60％进入阴极气体流道3，与空气按照1∶1混合后用作阴极气体5，剩余10％直接排空。
本实施例能够保证气体送粉式熔融碳酸盐直接碳燃料电池单体开路电压在0.9V以上。
实施例二
与实施例一的不同在于，阳极气体流道8和阴极气体流道3方向彼此相同，呈顺流流型；燃料电池单体的数量为60个，电池单体尺寸约20cm×20cm；采用43％Li2CO3-57％K2CO3的混合物作为电解质；采用粒径2mm～100μm的炭黑作为固体碳燃料；采用2∶1的CO2与氧气的混合物作为阴极气体；采用纯CO2作为阳极送粉气体，反应后旋风分离器排气管出口CO250％进入碳燃料仓，用于炭黑粉末的气体输送，40％进入阴极气体流道，与氧气按照2∶1混合后用作阴极气体，剩余10％直接排空；电池堆工作温度为700℃。
当燃料电池堆工作时，炭黑粉末存放在碳燃料仓14中，CO2气体流过碳燃料仓14，携带炭黑粉末形成阳极入口混合物12，流入阳极气体流道8，由于阳极11上均匀分布有与阳极气体流道8连通的阳极板开孔15，在阳极气体流道8中炭黑粉末会穿过阳极板开孔15与电解质隔膜10中的熔融电解质直接接触，并粘附在电解质隔膜10上。这样，阳极板开孔15就形成了一个个炭黑粉末存储腔体，供燃料电池阳极反应所用。阴极气体5流过阴极气体流道3，阴极气体5中的O2与CO2发生电化学反应生成
Figure BDA0000088418140000071
通过扩散和毛细作用穿过电解质隔膜10传导至阳极11，将阳极板开孔15中的炭黑粉末氧化生成CO2，同时释放出的电子通过外电路到达阴极9并释放电能，剩余阴极气体5在阴极气体流道3的出口排空。阳极反应后生成的CO2气体、未粘附炭黑粉末以及携带炭黑粉末的CO2气体组成阳极出口混合物6。阳极出口混合物6从阳极气体流道8的出口全部引入旋风分离器7中，经过旋风分离作用，从CO2气体中分离出未反应的炭黑粉末通过碳燃料回路13返回碳燃料仓14。旋风分离器7排气管的CO2气体通过CO2气体回路1，50％进入碳燃料仓14，用于炭黑粉末的气体输送，40％进入阴极气体流道3，与氧气按照2∶1混合后用作阴极气体5，剩余10％直接排空。
本实施例能够保证气体送粉式熔融碳酸盐直接碳燃料电池单体开路电压在0.9V以上。
实施例三
与实施例一的不同在于，阳极气体流道8和阴极气体流道3方向彼此相同，呈逆流流型；燃料电池单体的数量为50个，电池单体尺寸约40cm×40cm；采用43％Li2CO3-21％Na2CO3-36％K2CO3的混合物作为电解质；采用粒径1mm～10nm的煤作为固体碳燃料；采用2∶1的CO2与空气的混合物作为阴极气体；采用纯CO2作为阳极送粉气体，反应后旋风分离器排气管出口CO2 20％进入碳燃料仓，用于煤粉的气体输送，40％进入阴极气体流道，与空气按照2∶1混合后用作阴极气体，剩余40％直接排空；电池堆工作温度为750℃。
当燃料电池堆工作时，煤粉存放在碳燃料仓14中，CO2气体流过碳燃料仓14，携带煤粉形成阳极入口混合物12，流入阳极气体流道8，由于阳极11上均匀分布有与阳极气体流道8连通的阳极板开孔15，在阳极气体流道8中煤粉会穿过阳极板开孔15与电解质隔膜10中的熔融电解质直接接触，并粘附在电解质隔膜10上。这样，阳极板开孔15就形成了一个个煤粉存储腔体，供燃料电池阳极反应所用。阴极气体5流过阴极气体流道3，阴极气体5中的O2与CO2发生电化学反应生成
Figure BDA0000088418140000081
通过扩散和毛细作用穿过电解质隔膜10传导至阳极11，将阳极板开孔15中的煤粉氧化生成CO2，同时释放出的电子通过外电路到达阴极9并释放电能，剩余阴极气体5在阴极气体流道3的出口排空。阳极反应后生成的CO2气体、未粘附煤粉以及携带煤粉的CO2气体组成阳极出口混合物6。阳极出口混合物6从阳极气体流道8的出口全部引入旋风分离器7中，经过旋风分离作用，从CO2气体中分离出未反应的煤粉通过碳燃料回路13返回碳燃料仓14。旋风分离器7排气管的CO2气体通过CO2气体回路1，20％进入碳燃料仓14，用于煤粉的气体输送，40％进入阴极气体流道3，与空气按照2∶1混合后用作阴极气体5，剩余40％直接排空。
本实施例能够保证气体送粉式熔融碳酸盐直接碳燃料电池单体开路电压在0.9V以上。
实施例四
与实施例一的不同在于，阳极气体流道8和阴极气体流道3方向彼此相同，呈顺流流型；燃料电池单体的数量为100个，电池单体尺寸约15cm×15cm；采用纯K2CO3作为电解质；采用粒径5mm～500μm的焦炭作为固体碳燃料；采用4∶1的CO2与氧气的混合物作为阴极气体；采用纯CO2作为阳极送粉气体，反应后旋风分离器排气管出口CO2 20％进入碳燃料仓，用于焦炭粉末的气体输送，70％进入阴极气体流道，与氧气按照4∶1混合后用作阴极气体，剩余10％直接排空；电池堆工作温度为800℃。
当燃料电池堆工作时，焦炭粉末存放在碳燃料仓14中，CO2气体流过碳燃料仓14，携带焦炭粉末形成阳极入口混合物12，流入阳极气体流道8，由于阳极11上均匀分布有与阳极气体流道8连通的阳极板开孔15，在阳极气体流道8中焦炭粉末会穿过阳极板开孔15与电解质隔膜10中的熔融电解质直接接触，并粘附在电解质隔膜10上。这样，阳极板开孔15就形成了一个个焦炭粉末存储腔体，供燃料电池阳极反应所用。阴极气体5流过阴极气体流道3，阴极气体5中的O2与CO2发生电化学反应生成通过扩散和毛细作用穿过电解质隔膜10传导至阳极11，将阳极板开孔15中的焦炭粉末氧化生成CO2，同时释放出的电子通过外电路到达阴极9并释放电能，剩余阴极气体5在阴极气体流道3的出口排空。阳极反应后生成的CO2气体、未粘附焦炭粉末以及携带焦炭粉末的CO2气体组成阳极出口混合物6。阳极出口混合物6从阳极气体流道8的出口全部引入旋风分离器7中，经过旋风分离作用，从CO2气体中分离出未反应的焦炭粉末通过碳燃料回路13返回碳燃料仓14。旋风分离器7排气管的CO2气体通过CO2气体回路1，20％进入碳燃料仓14，用于焦炭粉末的气体输送，70％进入阴极气体流道3，与氧气按照4∶1混合后用作阴极气体5，剩余10％直接排空。
本实施例能够保证气体送粉式熔融碳酸盐直接碳燃料电池单体开路电压在0.9V以上。
实施例五
与实施例一的不同在于，阳极气体流道8和阴极气体流道3方向彼此相同，呈逆流流型；燃料电池单体的数量为10个，电池单体尺寸约50cm×50cm；采用纯Na2CO3作为电解质；采用粒径1mm～100μm的活性炭作为固体碳燃料；采用3∶1的CO2与空气的混合物作为阴极气体；采用纯CO2作为阳极送粉气体，反应后旋风分离器排气管出口CO2 20％进入碳燃料仓，用于活性炭粉末的气体输送，60％进入阴极气体流道，与氧气按照3∶1混合后用作阴极气体，剩余20％直接排空；电池堆工作温度为600℃。
当燃料电池堆工作时，活性炭粉末存放在碳燃料仓14中，CO2气体流过碳燃料仓14，携带活性炭粉末形成阳极入口混合物12，流入阳极气体流道8，由于阳极11上均匀分布有与阳极气体流道8连通的阳极板开孔15，在阳极气体流道8中活性炭粉末会穿过阳极板开孔15与电解质隔膜10中的熔融电解质直接接触，并粘附在电解质隔膜10上。这样，阳极板开孔15就形成了一个个活性炭粉末存储腔体，供燃料电池阳极反应所用。阴极气体5流过阴极气体流道3，阴极气体5中的O2与CO2发生电化学反应生成
Figure BDA0000088418140000101
Figure BDA0000088418140000102
通过扩散和毛细作用穿过电解质隔膜10传导至阳极11，将阳极板开孔15中的活性炭粉末氧化生成CO2，同时释放出的电子通过外电路到达阴极9并释放电能，剩余阴极气体5在阴极气体流道3的出口排空。阳极反应后生成的CO2气体、未粘附活性炭粉末以及携带活性炭粉末的CO2气体组成阳极出口混合物6。阳极出口混合物6从阳极气体流道8的出口全部引入旋风分离器7中，经过旋风分离作用，从CO2气体中分离出未反应的活性炭粉末通过碳燃料回路13返回碳燃料仓14。旋风分离器7排气管的CO2气体通过CO2气体回路1，20％进入碳燃料仓14，用于活性炭粉末的气体输送，60％进入阴极气体流道3，与空气按照3∶1混合后用作阴极气体5，剩余20％直接排空。
本实施例能够保证气体送粉式熔融碳酸盐直接碳燃料电池单体开路电压在0.9V以上。
实施例六
与实施例一的不同在于，燃料电池单体的数量为20个，电池单体尺寸约40cm×40cm；采用纯Li2CO3作为电解质；采用粒径1mm～100nm的生物质作为固体碳燃料；采用2∶1的CO2与空气的混合物作为阴极气体；采用纯CO2作为阳极送粉气体，反应后旋风分离器排气管出口CO240％进入碳燃料仓，用于生物质粉末的气体输送，40％进入阴极气体流道，与空气按照2∶1混合后用作阴极气体，剩余20％直接排空；电池堆工作温度为680℃。
当燃料电池堆工作时，生物质粉末存放在碳燃料仓14中，CO2气体流过碳燃料仓14，携带生物质粉末形成阳极入口混合物12，流入阳极气体流道8，由于阳极11上均匀分布有与阳极气体流道8连通的阳极板开孔15，在阳极气体流道8中生物质粉末会穿过阳极板开孔15与电解质隔膜10中的熔融电解质直接接触，并粘附在电解质隔膜10上。这样，阳极板开孔15就形成了一个个生物质粉末存储腔体，供燃料电池阳极反应所用。阴极气体5流过阴极气体流道3，阴极气体5中的O2与CO2发生电化学反应生成
Figure BDA0000088418140000111
Figure BDA0000088418140000112
通过扩散和毛细作用穿过电解质隔膜10传导至阳极11，将阳极板开孔15中的生物质粉末氧化生成CO2，同时释放出的电子通过外电路到达阴极9并释放电能，剩余阴极气体5在阴极气体流道3的出口排空。阳极反应后生成的CO2气体、未粘附生物质粉末以及携带生物质粉末的CO2气体组成阳极出口混合物6。阳极出口混合物6从阳极气体流道8的出口全部引入旋风分离器7中，经过旋风分离作用，从CO2气体中分离出未反应的生物质粉末通过碳燃料回路13返回碳燃料仓14。旋风分离器7排气管的CO2气体通过CO2气体回路1，40％进入碳燃料仓14，用于生物质粉末的气体输送，40％进入阴极气体流道3，与空气按照2∶1混合后用作阴极气体5，剩余20％直接排空。
本实施例能够保证气体送粉式熔融碳酸盐直接碳燃料电池单体开路电压在0.9V以上。
实施例七
与实施例一的不同在于，燃料电池单体的数量为150个，电池单体尺寸约10cm×10cm；采用43％Na2CO3-57％K2CO3的混合物作为电解质；采用粒径2mm～10nm的石油焦作为固体碳燃料；采用1∶1∶1的CO2、氧气、空气的混合物作为阴极气体；采用纯CO2作为阳极送粉气体，反应后旋风分离器排气管出口CO2 20％进入碳燃料仓，用于石油焦粉末的气体输送，60％进入阴极气体流道，与氧气、空气按照1∶1∶1混合后用作阴极气体，剩余20％直接排空；电池堆工作温度为760℃。
当燃料电池堆工作时，石油焦粉末存放在碳燃料仓14中，CO2气体流过碳燃料仓14，携带石油焦粉末形成阳极入口混合物12，流入阳极气体流道8，由于阳极11上均匀分布有与阳极气体流道8连通的阳极板开孔15，在阳极气体流道8中石油焦粉末会穿过阳极板开孔15与电解质隔膜10中的熔融电解质直接接触，并粘附在电解质隔膜10上。这样，阳极板开孔15就形成了一个个石油焦粉末存储腔体，供燃料电池阳极反应所用。阴极气体5流过阴极气体流道3，阴极气体5中的O2与CO2发生电化学反应生成
Figure BDA0000088418140000121
Figure BDA0000088418140000122
通过扩散和毛细作用穿过电解质隔膜10传导至阳极11，将阳极板开孔15中的石油焦粉末氧化生成CO2，同时释放出的电子通过外电路到达阴极9并释放电能，剩余阴极气体5在阴极气体流道3的出口排空。阳极反应后生成的CO2气体、未粘附石油焦粉末以及携带石油焦粉末的CO2气体组成阳极出口混合物6。阳极出口混合物6从阳极气体流道8的出口全部引入旋风分离器7中，经过旋风分离作用，从CO2气体中分离出未反应的石油焦粉末通过碳燃料回路13返回碳燃料仓14。旋风分离器7排气管的CO2气体通过CO2气体回路1，20％进入碳燃料仓14，用于石油焦粉末的气体输送，60％进入阴极气体流道3，与氧气、空气按照1∶1∶1混合后用作阴极气体5，剩余20％直接排空。
本实施例能够保证气体送粉式熔融碳酸盐直接碳燃料电池单体开路电压在0.9V以上。

Claims (9)

1.一种气体送粉式熔融碳酸盐直接碳燃料电池堆，由多个燃料电池单体堆叠而成，其特征在于，所述燃料电池单体自上而下由阳极集流板（2）、阳极（11）、电解质隔膜（10）、阴极（9）和阴极集流板（4）压紧组成，阳极集流板（2）上开有多条水平平行的阳极气体流道（8）,阴极集流板（4）开有多条水平平行的阴极气体流道（3），阳极（11）上均布有多个阳极板开孔（15），每个阳极板开孔（15）都与一个或者多个阳极气体流道（8）连通，阳极气体流道（8）的入口连通碳燃料仓（14）的给料口，阳极气体流道（8）的出口连通旋风分离器（7）的送风口，旋风分离器（7）的排气管、碳燃料仓（14）的载气入口以及阴极气体流道（3）的入口之间有CO2气体回路（1），旋风分离器（7）的排灰管与碳燃料仓（14）的进料口之间有碳燃料回路（13），电解质隔膜（10）中配置有熔融电解质，所述的熔融电解质为Li2CO3，K2CO3以及Na2CO3中的一种或几种。
2.根据权利要求1所述的气体送粉式熔融碳酸盐直接碳燃料电池堆，其特征在于，所述阴极气体流道（3）和阳极气体流道（8）相互垂直。
3.根据权利要求1所述的气体送粉式熔融碳酸盐直接碳燃料电池堆，其特征在于，所述阴极气体流道（3）和阳极气体流道（8）相互平行。
4.根据权利要求1所述的气体送粉式熔融碳酸盐直接碳燃料电池堆，其特征在于，所述碳燃料仓（14）中配置有碳燃料，所述的碳燃料为石墨、炭黑、焦炭、煤、活性炭、生物质或者石油焦。
5.根据权利要求1所述的气体送粉式熔融碳酸盐直接碳燃料电池堆，其特征在于，所述碳燃料仓（14）中的碳燃料的粒径为5mm～10nm。
6.根据权利要求1所述的气体送粉式熔融碳酸盐直接碳燃料电池堆，其特征在于，电池堆的工作温度范围为600℃～800℃。
7.根据权利要求1所述的气体送粉式熔融碳酸盐直接碳燃料电池堆，其特征在于，进入阴极气体流道（3）中的阴极气体为空气与CO2气体的混合物。
8.根据权利要求1所述的气体送粉式熔融碳酸盐直接碳燃料电池堆，其特征在于，进入阴极气体流道（3）中的阴极气体为氧气与CO2气体的混合物。
9.根据权利要求1所述的气体送粉式熔融碳酸盐直接碳燃料电池堆，其特征在于，进入阴极气体流道（3）中的阴极气体为空气、氧气、CO2三种气体的混合物。
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