CN102324539A - 一种流化床电极直接碳燃料电池装置 - Google Patents

一种流化床电极直接碳燃料电池装置 Download PDF

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蔡宁生
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Abstract

本发明公开了属于清洁能源技术领域的一种流化床电极直接碳燃料电池装置。该装置包含流化床、两根及两根以上管式单体电池、集流板、复合碳燃料、气体循环装置、螺旋给料机和燃料箱。本发明在固体氧化物直接碳燃料电池基础上，向固体碳燃料中添加导体催化剂，使得碳的直接电化学反应界面从二维拓展为三维，并能促进碳的气化反应，从而提高电池性能；在反应器壁面布置集流板，便于收集电流；同时采用流化床反应器构成流化床电极，进一步增强电极内的传热和传质，不仅解决了给料问题，而且能够进一步提高固体氧化物直接碳燃料电池的性能。

Description

一种流化床电极直接碳燃料电池装置
技术领域
本发明属于清洁能源技术领域，具体涉及一种流化床电极直接碳燃料电池装置。
背景技术
我国是世界上最大的煤炭生产和消费国，煤炭消耗量占到一次能源总量的70％以上，其中超过50％的煤炭用于火力发电。同时，煤炭在我国电力结构中也占有主要地位，2009年我国总装机容量的74.6％以上是火力发电，其中燃煤发电占到95％。以煤为主的能源结构在短时间内不会有很大改变。但目前我国燃煤发电效率低，能源浪费和环境污染状况严重；同时，作为世界上CO2排放第一大国，我们面临着巨大的CO2减排压力，而且燃煤火电又是我国最大和最集中的二氧化碳排放源。因此探索高效的洁净煤发电技术是能源工业发展的必然方向。
直接碳燃料电池(Direct Carbon Fuel Cell，DCFC)采用固体碳作为燃料，近年来受到国内外研究者的广泛重视，并被列为未来十大值得关注技术之一。直接碳燃料电池(Direct Carbon Fuel Cell，DCFC)采用固体碳为燃料，能够将碳燃料的化学能清洁高效地直接转化为电能，近年来受到国内外研究者的广泛重视。与传统燃料电池相比，直接碳燃料电池在电池效率、CO2减排、燃料来源等方面具有非常独特的优势。直接碳燃料电池总反应(C+O2＝CO2)熵变很小(2.5J.K-1.mol-1)，在800℃左右时，理论效率可达100％，相比较而言，同温度下H2燃料电池的理论效率只有77％。电池效率的提高降低了单位发电量的燃料消耗量，减少了CO2的排放，而且碳燃料不和空气直接接触混合，有利于CO2的富集与减排。直接碳燃料电池所使用的固体碳燃料体积小、热值高，运输与储藏方便而且来源广泛易于获取，可以通过对储量丰富的煤炭、生物质(如秸秆、谷壳、木屑)甚至是有机垃圾等进行简单加工处理而得到。直接碳燃料电池的商业应用将革命性地改变传统能源利用方式，实现传统化石能源利用和燃料电池技术的完美结合，可有力缓解我国油气资源紧张现状，提高能源利用效率，减轻CO2减排压力，对能源技术进步和国家能源安全具有重要意义。
传统的固定床反应器结构形式简单，流动影响因素少，有利于研究SO-DCFC的反应机理，但固定床反应器总反应速率主要由物质扩散过程控制，是碳气化反应过程的速率控制步骤，同时面临在反应一段时间后碳燃料的连续供给问题。对于碳气化反应过程，碳的气化反应(1)是一个强吸热反应，而CO的电化学氧化反应(2)是一个强放热反应，热量的传递和匹配对反应器的传热速率提出较高要求，固定床反应器传热效率较低难以满足要求。流化床直接碳燃料电池增强了碳的气化反应，碳颗粒能够与电池阳极频繁碰撞，有利于碳的直接电化学反应，同时也很好地解决了给料问题。在碳燃料中添加导体催化剂的基础上，SO-DCFC的阳极可以采用传热、传质效果好的流化床反应器，同时由于碳燃料具有导电性，因此SO-DCFC的阳极为流化床电极，可称之为流化床电极固体氧化物直接碳燃料电池(Fluid Bed Electrode Solid Oxide DirectCarbon Fuel Cell，FBE-SO-DCFC)。流化床电极固体氧化物直接碳燃料电池保持了流化床SO-DCFC的优点，同时由于碳燃料有导电性，将碳直接电化学反应界面从二维拓展到三维，能够进一步提高碳的直接电化学反应过程。
发明内容
本发明的目的在于提供一种流化床电极直接碳燃料电池装置。
本发明的目的还在于利用上述装置进行发电的方法。
一种流化床电极直接碳燃料电池装置，该装置包含流化床1、两根及两根以上管式单体电池2、集流板3、复合碳燃料6、气体循环装置12、螺旋给料机4、燃料箱5；管式单体电池2为盲管式或通管式，对于盲管式电池，开口端伸出流化床1，封闭端置于流化床1内部，对于通管式电池，两端均伸出流化床1外，管式单体电池布局为顺排或叉排方式；集流板3置于流化床1内壁上；复合碳燃料6填充于流化床1底部，与流化床1外部的螺旋给料机4和燃料箱5相通；气体循环装置12位于流化床1外部连接流化床的进气口和出气口。
管式单体电池2可分成两层结构或三层结构，当为两层结构时，内侧为多孔阴极材料，外侧为固体氧化物电解质，当为三层结构时，内侧为多孔阴极材料，中间为固体氧化物电解质，外侧可以为多孔阳极材料。
所述复合碳燃料6为加入离子导体的碳燃料，所述离子导体为为
Figure BDA0000080197550000031
离子导体、O2-离子导体、电子导体及它们的混合物。
一种流化床电极直接碳燃料电池装置发电的方法，流化床采用外部电加热方式保持工作温度在500～1000℃，向流化床电极底部通入流化气体，使流化床内碳燃料处于流态化，向管式单体电池内侧通入由空气或纯氧气组成的阴极氧化剂，通过集流板收集电流，流化气体从流化床顶部排出，经过气体循环装置注入鼓泡床底部，实现回收利用。
本发明的有益效果：本发明的管式单体电池结构加大了换热效果，便于集流、密封和阴极氧化剂流入；在固体氧化物直接碳燃料电池基础上，向固体碳燃料中添加导体催化剂，使得碳的直接电化学反应界面从二维拓展为三维，并能促进碳的气化反应，从而提高电池性能；在反应器壁面布置集流板，便于收集电流。同时采用流化床反应器构成流化床电极，进一步增强电极内的传热和传质，不仅解决了给料问题，而且能够进一步提高固体氧化物直接碳燃料电池的性能。
附图说明
图1本发明流化床电极直接碳燃料电池装置示意图；
图中，1-流化床、2-管式单体电池、3-集流板、4-螺旋给料机、5-燃料箱、6-复合碳燃料、7-流化床出口气体、8-导线、9-工作负载、10-空气或纯氧气、11-流化气体、12-气体循环装置。
图2为盲管式电池单体结构示意图；
图中，10-空气或纯氧气、13-导流管、14-阴极、15-阳极、16-固体氧化物电解质。
图3为电池单体顺排布置方式示意图；
图中，2-管式单体电池、3-集流板、6-复合碳燃料、11-流化气体。
图4为通管式电池单体结构示意图；
图中，10-空气或纯氧气、14-阴极、15-阳极、16-固体氧化物电解质。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
流化床电极直接碳燃料电池装置，该装置包含流化床1、两根及两根以上管式单体电池2、集流板3、复合碳燃料6、气体循环装置12、螺旋给料机4、燃料箱5(如图1所示)；管式单体电池为盲管式(如图2所示)，开口端伸出流化床1，封闭端置于流化床1内部，管式单体电池内侧为阴极14，外侧为阳极15，中间为固体氧化物电解质16，两个导流管13平行插入电池内部，管式单体电池布局为顺排方式(如图3所示)；集流板3置于流化床1内壁上；复合碳燃料6填充于流化床1底部，与流化床1外部的螺旋给料机4和燃料箱5相通；复合碳燃料6为加入离子导体的碳燃料，碳燃料包括石墨、炭黑、焦炭、煤以及由它们按照任意比例组成的混合燃料；离子导体为
Figure BDA0000080197550000041
离子导体、O2-离子导体、电子导体及它们的混合物；气体循环装置12位于流化床外部连接流化床的进气口和出气口；流化气体11为CO2、H2O、N2、He及它们的混合物。
利用上述装置发电的方法：流化床1采用外部电加热方式保持工作温度在500～1000℃，向流化床电极底部通入流化气体11，使流化床内碳燃料处于流态化，向管式单体电池2内侧通入由空气或纯氧气10组成的阴极氧化剂，通过集流板收3集电流，收集的电流可通过导线8外接工作负载9，流化床出口气体7从流化床顶部排出，经过气体循环装置12注入流化床底部，实现回收利用。
实施例2
流化床电极直接碳燃料电池装置，该装置包含流化床1、两根及两根以上管式单体电池2、集流板3、复合碳燃料6、气体循环装置12、螺旋给料机4、燃料箱5(如图1所示)；管式单体电池为通管式(如图4所示)，两端均伸出流化床1外，管式单体电池内侧为阴极14，外侧为阳极15，中间为固体氧化物电解质16，管式单体电池布局为顺排方式(如图3所示)；集流板3置于流化床1内壁上；复合碳燃料6填充于流化床1底部，与流化床1外部的螺旋给料机4和燃料箱5相通；复合碳燃料6为加入离子导体的碳燃料，碳燃料包括石墨、炭黑、焦炭、煤以及由它们按照任意比例组成的混合燃料；离子导体为
Figure BDA0000080197550000051
离子导体、O2-离子导体、电子导体及它们的混合物；气体循环装置12位于流化床外部连接流化床的进气口和出气口；流化气体11为CO2、H2O、N2、He及它们的混合物。
利用上述装置发电的方法：流化床1采用外部电加热方式保持工作温度在500～1000℃，向流化床1电极底部通入流化气体11，使流化床1内碳燃料处于流态化，向管式单体电池2内侧通入由空气或纯氧气10组成的阴极氧化剂，通过集流板3收集电流，收集的电流可通过导线8外接工作负载9，流化床出口气体7从流化床1顶部排出，经过气体循环装置12注入流化床底部，实现回收利用。

Claims (4)

1.一种流化床电极直接碳燃料电池装置，其特征在于，该装置包含流化床(1)、两根及两根以上管式单体电池(2)、集流板(3)、复合碳燃料(6)、气体循环装置(12)、螺旋给料机(4)、燃料箱(5)；管式单体电池(2)为盲管式或通管式，对于盲管式电池，开口端伸出流化床(1)，封闭端置于流化床(1)内部，对于通管式电池，两端均伸出流化床(1)外，管式单体电池布局为顺排或叉排方式；集流板(3)置于流化床(1)内壁上；复合碳燃料(6)填充于流化床(1)底部，与流化床(1)外部的螺旋给料机(4)和燃料箱(5)相通；气体循环装置(12)位于流化床(1)外部连接流化床的进气口和出气口。
2.根据权利要求1所述一种流化床电极直接碳燃料电池装置，其特征在于，管式单体电池(2)可分成两层结构或三层结构，当为两层结构时，内侧为多孔阴极材料，外侧为固体氧化物电解质，当为三层结构时，内侧为多孔阴极材料，中间为固体氧化物电解质，外侧可以为多孔阳极材料。
3.根据权利要求1所述一种流化床电极直接碳燃料电池装置，其特征在于，所述复合碳燃料(6)为加入离子导体的碳燃料，所述离子导体为为
Figure FDA0000080197540000011
离子导体、02-离子导体、电子导体及它们的混合物。
4.一种利用权利要求1所述流化床电极直接碳燃料电池装置发电的方法，其特征在于，流化床采用外部电加热方式保持工作温度在500～1000℃，向流化床电极底部通入流化气体，使流化床内碳燃料处于流态化，向管式单体电池内侧通入由空气或纯氧气组成的阴极氧化剂，通过集流板收集电流，流化气体从流化床顶部排出，经过气体循环装置注入鼓泡床底部，实现回收利用。
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