CN103972526A - 基于液态金属阳极直接碳燃料电池的发电储能一体化装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于燃料电池领域，尤其涉及一种基于液态金属阳极直接碳燃料电池的发电储能一体化装置，包括金属熔池、液态金属阳极、管式固体氧化物燃料电池单体、流态化布风给料系统等装置；管式固体氧化物燃料电池可选用盲管与通管，可采用立式或卧式方式插入金属熔池中；给料系统采用载气将燃料以及阳极物料携带进入金属熔池，并完成对熔池内部物质的搅拌；本发明还可将燃料中的化学能和电网中富余的电能转化为液态金属阳极中的化学能储存起来，实现发电装置与储能装置的一体化。本装置设备简单紧凑；碳燃料与金属阳极反应活性高，电池性能好，液态阳极流态化对电池摩擦小，电池寿命长；易于密封、集流方便，便于组成大规模的电堆。

Description

基于液态金属阳极直接碳燃料电池的发电储能一体化装置
技术领域
本发明属于燃料电池领域，尤其是涉及一种基于液态金属阳极直接碳燃料电池的发电储能一体化装置。
背景技术
燃料电池是一种直接将燃料中的化学能转化为电能的发电装置。固体氧化物直接碳燃料电池(Solid Oxide Direct Carbon Fuel Cell,SO-DCFC)是燃料电池的一种，采用结构稳定的固体氧化物陶瓷作为电解质，能够将固体碳燃料的化学能通过电化学反应直接、连续地转化为电能，具有效率高、CO2分离容易、燃料来源广泛以及电解质结构稳定、燃料处理要求低等突出优点，对缓解我国油气资源紧张现状，降低CO2处理能耗以及保障国家能源安全具有重要意义。
但在常规的固体氧化物电解质直接碳燃料电池中，固体碳燃料与固态电极间仅有的固-固接触极大地限制了碳燃料的电化学转化：在固态电极条件下，电池主要的反应为碳的气化反应和随后CO等气体产物的电化学氧化，但是由于燃料电池工作温度低于气化反应进行的最佳温度，气化反应往往成为传统直接碳燃料电池性能提升的瓶颈。
目前国际上的液态金属阳极固体氧化物电解质直接碳燃料电池研究多停留在单电池实验阶段，实际应用中还面临着固体碳燃料连续进给的问题，特别是当反应一段时间之后，电极-电解质界面处直接接触的固体碳燃料已经完全反应情况下的连续给料问题。同时，固定床结构的液态金属阳极不利于反应界面附近金属氧化物的移除，限制了电池的连续工作，美国科学家提出的循环流化床直接碳燃料电池虽然能够在一定程度上解决给料问题，但是单纯的气固流化工况对电池磨损较大，缩短了发电装置的寿命。
发明内容
本发明针对目前碳燃料电池存在的无法连续给料、碳燃料的反应速率低、电化学反应条件差、电池性能低的问题，提出了基于液态金属阳极直接碳燃料电池的发电储能一体化装置，主要包括：金属熔池外壳7、管式固体氧化物燃料电池单体6、液态金属阳极9和由进料鼓风机1、物料锁斗2、给料管3组成的流态化布风给料系统；
其中，进料鼓风机1鼓风口垂直对准物料锁斗2进口，物料锁斗2出口和给料管3进口相连，进料鼓风机1、物料锁斗2、给料管3这三者从上到下依次组成一套流态化布风给料系统；
金属熔池外壳7的形状为长方体，从其顶部垂直插入并固定住若干数量的流态化布风给料系统；管式固体氧化物燃料电池单体6有通管和盲管两种，其布置方式分为立式和卧式两种，即从金属熔池外壳7顶部垂直插入或从其侧面水平插入并固定住；管式固体氧化物燃料电池单体6、流态化布风给料系统和金属熔池外壳7结合处采用高温陶瓷胶密封；金属熔池外壳7侧面顶部安装有尾气排出口8，侧面中上部安装有排渣口12；金属熔池外壳7内装有液面高度和排渣口12持平但不低于尾气排出口8的液态金属阳极9；所有管式固体氧化物燃料电池单体6之间通过其顶部若干阴极连接线5串联起来并连接到外电路负载14或外部电源16，阳极集流引线13将液态金属阳极9和外电路负载14或外部电源16连接；尾气循环15将尾气排出口8和进料鼓风机1连接起来。
所述盲管式固体氧化物燃料电池单体6的立式布置方式为盲管式固体氧化物燃料电池单体6从金属熔池外壳7顶部垂直插入金属熔池内并固定，其开口端位于金属熔池外部，封闭端位于金属熔池内部；多个盲管式固体氧化物燃料电池单体可排列为阵列装堆。
所述盲管式固体氧化物燃料电池单体6的卧式布置方式为盲管式固体氧化物燃料电池单体6从金属熔池外壳7侧面水平插入金属熔池内并固定，其开口端位于金属熔池外部，封闭端位于金属熔池内部；多个盲管式固体氧化物燃料电池单体6可排列为阵列装堆，各管内气体流动方向相同。
所述通管式固体氧化物燃料电池单体6的卧式布置方式为通管式固体氧化物燃料电池单体6从金属熔池外壳7侧面水平插入金属熔池内并固定，其两侧开口端均位于金属熔池外部；多个通管式固体氧化物燃料电池单体6可排列为阵列装堆，相邻管内气体流动方向相同或相反。
所述管式固体氧化物燃料电池单体6插在金属熔池内，基于对燃料电池功率的需求确定管式固体氧化物燃料电池单体6与液态金属阳极9之间的接触面积，并注入足量金属实现液态金属阳极9与管式固体氧化物燃料电池单体6之间的紧密接触；由进料鼓风机1、物料锁斗2、给料管3组成的流态化布风给料系统从金属熔池外壳7上部利用进料鼓风机1带来的载气将物料携带进入液态金属阳极9内部，并完成液态金属阳极9内部物质的搅拌，并产生阳极流态化进料载气气泡10；固体碳燃料颗粒11由载气携带进入液态金属阳极9后与固体氧化物燃料电池单体6发生电化学反应产生电能或还原电池运行过程中产生的金属氧化物，尾气由尾气排出口8排出，尾气循环15为选择性添加部件，以尾气作为载气，降低成本；运行过程中固体氧化物燃料电池阴极气体4通入阴极形成阴极气氛，并从外部电路得到电子生成O2-，O2-在浓度差驱动下穿过电解质层到达阳极，在阳极与固体碳燃料颗粒、碳燃料的各种气化产物以及液态金属发生电化学反应生成CO2和H2O和相应的金属氧化物，同时向外电路放出电子，驱动外电路负载14；通过补充碳燃料维持燃料电池连续工作与液态金属电极成分的稳定；燃料消耗过程中产生的熔渣在重力的作用下浮于液态金属表面，通过排渣口12放出部分金属将熔渣带出。
所述液态金属阳极9视金属成分不同，温度处于400℃～1000℃之间，电极温度可通过外界输入燃料量、负荷调节的方式进行人为控制；物料锁斗2除用于燃料的添加外，还用于电极组分的调整以及K、Na、Ni催化剂的注入。
所述固体氧化物燃料电池阴极气体4为空气或氧气或二者之间的任意比例混合；载气为CO2、H2O、N2、Ar、He按一定比例混合而成，其中H2O占0％～30％，CO2占0％～100％，N2占0％～100％，Ar占0％～100％，He占0％～100％；固体碳燃料为石墨、裂解炭黑、焦炭、石油焦、煤、生物质炭、成型生物质的任意一种或多种组合；管式固体氧化物燃料电池单体6内部通入空气或氧气或任意比例的二者混合物；液态金属阳极9成分包括：碱金属类Li、Na、K，过渡金属类Fe、Ni、Cu、Ag，其他主族金属类Pb、Bi、Sn、Sb，单质、两种及两种以上金属的合金。
所述装置在无燃料输入且需要电能情况下，阴极所产生的O2-输运至阳极后可与液态金属反应产生电能，保证用户的电力需要；放电结束后投入碳燃料还原金属阳极完成“化学充电”，或通过外部输入电能，以管式固体氧化物燃料电池作为电解反应器，电解金属氧化物，对阳极金属实现再生。
本发明的有益效果在于：
液态金属阳极能够通过改善接触条件、促进碳燃料氧化、拓展反应界面、携带催化剂等多种途径提升固体氧化物直接碳燃料电池的发电性能，实现由碳到电的直接转化；
液态金属阳极能够作为一种储能介质，在无燃料输入的情况下维持燃料电池的正常运行，将燃料电池由一种单纯的发电设备拓展为一种高度集成的发电储能一体化综合能量管理设备。能够满足电网的调峰需求，保证用户的电力供给；
流态化布风给料系统能够更好地解决固体碳燃料的给料和液态金属阳极连续工作的问题，同时集成多种功能，结构简单紧凑，容易实现；
与传统气固流化床给料相比，依托于液态金属阳极的流态化布风给料能够减少对电池的冲击与磨损，延长电池的寿命；
管式单电池易于密封，液态金属阳极易于集流，便于组成大规模的电池堆。
附图说明
图1是本发明结构示意图(管式固体氧化物燃料电池立式布置)。
图2是实施例1安装多套流态化布风给料设备示意图。
图3是实施例2卧式固体氧化物燃料电池单体布置结构主视图。
图4是实施例2卧式固体氧化物燃料电池单体布置结构侧视图。
图5是实施例3同流向卧式通管固体氧化物燃料电池布置结构示意图。
图6是实施例4逆流向卧式通管固体氧化物燃料电池布置结构示意图。
图7是实施例5装置电解金属氧化物再生电极示意图。
其中，图1～图7中，1-进料鼓风机，2-物料锁斗，3-给料管，4-固体氧化物燃料电池阴极气体，5-阴极连接线，6-管式固体氧化物燃料电池单体，7-金属熔池外壳，8-尾气排出口，9-液态金属阳极，10-阳极流态化进料载气气泡，11-固体碳燃料颗粒，12-排渣口，13-阳极集流引线，14-外电路负载，15-尾气循环，16-外部电源。
具体实施方式
下面结合附图具体说明本发明。
如附图1所示，基于液态金属阳极直接碳燃料电池的发电储能一体化装置，主要包括：金属熔池外壳7、管式固体氧化物燃料电池单体6、液态金属阳极9和由进料鼓风机1、物料锁斗2、给料管3组成的流态化布风给料系统；其中，进料鼓风机1鼓风口垂直对准物料锁斗2进口，物料锁斗2出口和给料管3进口相连，进料鼓风机1、物料锁斗2、给料管3这三者从上到下依次组成一套流态化布风给料系统。
其中，金属熔池外壳7的形状为长方体，从其顶部垂直插入并固定住若干数量的流态化布风给料系统；管式固体氧化物燃料电池单体6有通管和盲管两种，其布置方式分为立式和卧式两种，即从金属熔池外壳7顶部垂直插入或从其侧面水平插入并固定住；管式固体氧化物燃料电池单体6、流态化布风给料系统和金属熔池外壳7结合处采用高温陶瓷胶密封；金属熔池外壳7侧面顶部安装有尾气排出口8，侧面中上部安装有排渣口12；金属熔池外壳7内装有液面高度和排渣口12持平但不低于尾气排出口8的液态金属阳极9；所有管式固体氧化物燃料电池单体6之间通过其顶部若干阴极连接线5串联起来并连接到外电路负载14或外部电源16，阳极集流引线13将液态金属阳极9和外电路负载14或外部电源16连接；尾气循环15将尾气排出口8和进料鼓风机1连接起来。
盲管式固体氧化物燃料电池单体6的立式布置方式为盲管式固体氧化物燃料电池单体6从金属熔池外壳7顶部垂直插入金属熔池内并固定，其开口端位于金属熔池外部，封闭端位于金属熔池内部；多个盲管式固体氧化物燃料电池单体可排列为阵列装堆。
盲管式固体氧化物燃料电池单体6的卧式布置方式为盲管式固体氧化物燃料电池单体6从金属熔池外壳7侧面水平插入金属熔池内并固定，其开口端位于金属熔池外部，封闭端位于金属熔池内部；多个盲管式固体氧化物燃料电池单体6可排列为阵列装堆，各管内气体流动方向相同。
通管式固体氧化物燃料电池单体6的卧式布置方式为通管式固体氧化物燃料电池单体6从金属熔池外壳7侧面水平插入金属熔池内并固定，其两侧开口端均位于金属熔池外部；多个通管式固体氧化物燃料电池单体6可排列为阵列装堆，相邻管内气体流动方向相同或相反。
管式固体氧化物燃料电池单体6插在金属熔池内，基于对燃料电池功率的需求确定管式固体氧化物燃料电池单体6与液态金属阳极9之间的接触面积，并注入足量金属实现液态金属阳极9与管式固体氧化物燃料电池单体6之间的紧密接触；由进料鼓风机1、物料锁斗2、给料管3组成的流态化布风给料系统从金属熔池外壳7上部利用进料鼓风机1带来的载气将物料携带进入液态金属阳极9内部，并完成液态金属阳极9内部物质的搅拌，产生阳极流态化进料载气气泡10；固体碳燃料颗粒11由载气携带进入液态金属阳极9后与固体氧化物燃料电池单体6发生电化学反应产生电能或还原电池运行过程中产生的金属氧化物，尾气由尾气排出口8排出，尾气循环15为选择性添加部件，以尾气作为载气，降低成本；运行过程中固体氧化物燃料电池阴极气体4通入阴极形成阴极气氛，并从外部电路得到电子生成O2-，O2-在浓度差驱动下穿过电解质层到达阳极，在阳极与固体碳燃料颗粒、碳燃料的各种气化产物以及液态金属发生电化学反应生成CO2和H2O和相应的金属氧化物，同时向外电路放出电子，驱动外电路负载14；通过补充碳燃料维持燃料电池连续工作与液态金属电极成分的稳定；燃料消耗过程中产生的熔渣在重力的作用下浮于液态金属表面，通过排渣口12放出部分金属将熔渣带出。液态金属阳极9视金属成分不同，温度处于400℃～1000℃之间，电极温度可通过外界输入燃料量、负荷调节等方式进行人为控制；物料锁斗2除用于燃料的添加外，还可用于电极组分的调整以及K、Na、Ni等催化剂的注入。
固体氧化物燃料电池阴极气体4为空气或氧气或二者之间的任意比例混合；载气为CO2、H2O、N2、Ar、He按一定比例混合而成，其中H2O占0％～30％，CO2占0％～100％，N2占0％～100％，Ar占0％～100％，He占0％～100％；固体碳燃料为石墨、裂解炭黑、焦炭、石油焦、煤、生物质炭、成型生物质的任意一种或多种组合；管式固体氧化物燃料电池单体6内部通入空气或氧气或任意比例的二者混合物；液态金属阳极9成分包括：碱金属类Li、Na、K，过渡金属类Fe、Ni、Cu、Ag，其他主族金属类Pb、Bi、Sn、Sb，单质、两种及两种以上金属的合金。
在无燃料输入且需要电能的情况下，阴极所产生的O2-输运至阳极后可与液态金属反应产生电能，保证用户的电力需要。放电结束后可投入碳燃料还原金属阳极完成“化学充电”，也可通过外部输入电能，以管式固体氧化物燃料电池作为电解反应器，电解金属氧化物，对阳极金属实现再生。
由于使用了流态化布风给料系统，熔池内部电极物质以及燃料一直处于剧烈运动的状态下。碳燃料在与燃料电池直接反应后可以很快迁移，燃料电池附近形成的金属氧化物层能够迅速消散，始终保持管式燃料电池附近的碳燃料浓度和电极组分的稳定，避免了反应产物在燃料电池附近的堆积，解决了阳极表面固体燃料的连续给料以及反应产物的输运问题；同时与传统的气固流态化给料相比，液态金属阳极成为了固体碳燃料与管式固体氧化物燃料电池之间的缓冲介质，能够大大减小流态化给料对于电池的冲击和磨损；金属溶池与管式电池之间的配合有利于通过加大金属熔池尺寸、增多单体电池数量组成大规模的电池堆。
实施例1
如附图2所示，基于液态金属阳极直接碳燃料电池的发电储能一体化装置，该装置包括由进料鼓风机1、物料锁斗2、给料管3组成的流态化布风给料系统、管式固体氧化物燃料电池单体6、金属熔池外壳7、液态金属阳极9等部件。在实际应用过程中，为满足规模化装置对于进料量、风量的需要以及相应的均匀性要求，可在装置的适当位置布置多套流态化布风给料系统，(图示为3套)，其具体数量与布置位置需要通过综合考虑布风给料均匀性、系统可靠性等多方面问题最终确定。其中，盲管式固体氧化物燃料电池单体6从金属熔池外壳7顶部垂直插入金属熔池内并固定，其开口端位于金属熔池外部，封闭端位于金属熔池内部；多个盲管式固体氧化物燃料电池单体排列为阵列装堆。
实施例2
如附图3、4所示，基于液态金属阳极直接碳燃料电池的发电储能一体化装置，该装置包括由进料鼓风机1、物料锁斗2、给料管3组成的流态化布风给料系统、管式固体氧化物燃料电池单体6、金属熔池外壳7、液态金属阳极9等部件。其中，盲管式固体氧化物燃料电池单体6从金属熔池外壳7侧面水平插入金属熔池内并固定，其开口端位于金属熔池外部，封闭端位于金属熔池内部；多个盲管式固体氧化物燃料电池单体6可排列为阵列装堆，各管内气体流动方向相同。
实施例3
如附图5所示，基于液态金属阳极直接碳燃料电池的发电储能一体化装置，该装置包括由进料鼓风机1、物料锁斗2、给料管3组成的流态化布风给料系统、管式固体氧化物燃料电池单体6、金属熔池外壳7、液态金属阳极9等部件。其中，通管式固体氧化物燃料电池单体6从金属熔池外壳7侧面水平插入金属熔池内并固定，其两侧开口端均位于金属熔池外部；多个通管式固体氧化物燃料电池单体6可排列为阵列装堆，相邻管内气体流动方向相同。
实施例4
如附图6所示，基于液态金属阳极直接碳燃料电池的发电储能一体化装置，该装置包括由进料鼓风机1、物料锁斗2、给料管3组成的流态化布风给料系统、管式固体氧化物燃料电池单体6、金属熔池外壳7、液态金属阳极9等部件。其中，通管式固体氧化物燃料电池单体6从金属熔池外壳7侧面水平插入金属熔池内并固定，其两侧开口端均位于金属熔池外部；多个通管式固体氧化物燃料电池单体6可排列为阵列装堆，相邻管内气体流动方向相反。
实施例5
如附图7所示，基于液态金属阳极直接碳燃料电池的发电储能一体化装置，该装置包括由1、2、3组成的流态化布风给料系统、管式固体氧化物燃料电池单体6、金属熔池外壳7、液态金属阳极9等部件。在储能模式下，可以通过外置电源16将电能储存在液态金属中。在充电过程中，阳极中的金属氧化物得电子生成金属以及O2－，O2－在外界电源的驱动下穿过电解质层到达管内，生成氧气。当液态阳极中的金属氧化物全部转化为金属单质时，充电完成。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.基于液态金属阳极直接碳燃料电池的发电储能一体化装置，其特征在于，主要包括：金属熔池外壳(7)、管式固体氧化物燃料电池单体(6)、液态金属阳极(9)和流态化布风给料系统；
其中，流态化布风给料系统由进料鼓风机(1)鼓风口垂直对准物料锁斗(2)进口，物料锁斗(2)出口和给料管(3)进口相连而组成；
金属熔池外壳(7)的形状为长方体，从其顶部垂直插入并固定住若干数量的流态化布风给料系统；管式固体氧化物燃料电池单体(6)有通管和盲管两种，其布置方式分为立式和卧式两种，即从金属熔池外壳(7)顶部垂直插入或从其侧面水平插入并固定住；管式固体氧化物燃料电池单体(6)、流态化布风给料系统和金属熔池外壳(7)结合处采用高温陶瓷胶密封；金属熔池外壳(7)侧面顶部安装有尾气排出口(8)，侧面中上部安装有排渣口(12)；金属熔池外壳(7)内装有液面高度和排渣口(12)持平但不低于尾气排出口(8)的液态金属阳极(9)；所有管式固体氧化物燃料电池单体(6)之间通过其顶部若干阴极连接线(5)串联起来并连接到外电路负载(14)或外部电源(16)，阳极集流引线(13)将液态金属阳极(9)和外电路负载(14)或外部电源(16)连接；尾气循环(15)将尾气排出口(8)和进料鼓风机(1)连接起来。
2.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述盲管式固体氧化物燃料电池单体(6)的立式布置方式为盲管式固体氧化物燃料电池单体(6)从金属熔池外壳(7)顶部垂直插入金属熔池内并固定，其开口端位于金属熔池外部，封闭端位于金属熔池内部；多个盲管式固体氧化物燃料电池单体可排列为阵列装堆。
3.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述盲管式固体氧化物燃料电池单体(6)的卧式布置方式为盲管式固体氧化物燃料电池单体(6)从金属熔池外壳(7)侧面水平插入金属熔池内并固定，其开口端位于金属熔池外部，封闭端位于金属熔池内部；多个盲管式固体氧化物燃料电池单体(6)可排列为阵列装堆，各管内气体流动方向相同。
4.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述通管式固体氧化物燃料电池单体(6)的卧式布置方式为通管式固体氧化物燃料电池单体(6)从金属熔池外壳(7)侧面水平插入金属熔池内并固定，其两侧开口端均位于金属熔池外部；多个通管式固体氧化物燃料电池单体(6)可排列为阵列装堆，相邻管内气体流动方向相同或相反。
5.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述管式固体氧化物燃料电池单体(6)插在金属熔池内，基于对燃料电池功率的需求确定管式固体氧化物燃料电池单体(6)与液态金属阳极(9)之间的接触面积，并注入足量金属实现液态金属阳极(9)与管式固体氧化物燃料电池单体(6)之间的紧密接触；由进料鼓风机(1)、物料锁斗(2)、给料管(3)组成的流态化布风给料系统从金属熔池外壳(7)上部利用进料鼓风机(1)带来的载气将物料携带进入液态金属阳极(9)内部，并完成液态金属阳极(9)内部物质的搅拌，并产生阳极流态化进料载气气泡(10)；固体碳燃料颗粒(11)由载气携带进入液态金属阳极(9)后与固体氧化物燃料电池单体(6)发生电化学反应产生电能或还原电池运行过程中产生的金属氧化物，尾气由尾气排出口(8)排出，尾气循环(15)为选择性添加部件，以尾气作为载气，降低成本；运行过程中固体氧化物燃料电池阴极气体(4)通入阴极形成阴极气氛，并从外部电路得到电子生成O2-，O2-在浓度差驱动下穿过电解质层到达阳极，在阳极与固体碳燃料颗粒、碳燃料的各种气化产物以及液态金属发生电化学反应生成CO2和H2O和相应的金属氧化物，同时向外电路放出电子，驱动外电路负载(14)；通过补充碳燃料维持燃料电池连续工作与液态金属电极成分的稳定；燃料消耗过程中产生的熔渣在重力的作用下浮于液态金属表面，通过排渣口(12)放出部分金属将熔渣带出。
6.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述液态金属阳极(9)视金属成分不同，温度处于400℃～1000℃之间，电极温度可通过外界输入燃料量、负荷调节的方式进行人为控制；物料锁斗(2)除用于燃料的添加外，还用于电极组分的调整以及K、Na、Ni催化剂的注入。
7.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述固体氧化物燃料电池阴极气体(4)为空气或氧气或二者之间的任意比例混合；载气为CO2、H2O、N2、Ar、He按一定比例混合而成，其中H2O占0％～30％，CO2占0％～100％，N2占0％～100％，Ar占0％～100％，He占0％～100％；固体碳燃料为石墨、裂解炭黑、焦炭、石油焦、煤、生物质炭、成型生物质的任意一种或多种组合；管式固体氧化物燃料电池单体(6)内部通入空气或氧气或任意比例的二者混合物；液态金属阳极(9)成分包括：碱金属类Li、Na、K，过渡金属类Fe、Ni、Cu、Ag，其他主族金属类Pb、Bi、Sn、Sb，单质、两种及两种以上金属的合金。
8.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述装置在无燃料输入且需要电能情况下，阴极所产生的O2-输运至阳极后可与液态金属反应产生电能，保证用户的电力需要；放电结束后投入碳燃料还原金属阳极完成“化学充电”，或通过外部输入电能，以管式固体氧化物燃料电池作为电解反应器，电解金属氧化物，对阳极金属实现再生。
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Cited By (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104733762A (zh) * 2015-03-09 2015-06-24 扬州雷鸥电业有限公司 并联呼吸型双板仓固体碳燃料电池堆及其发电方法
CN104733743A (zh) * 2015-03-09 2015-06-24 扬州雷鸥电业有限公司 并联呼吸型单板仓固体碳燃料电池堆及其发电方法
CN104733766A (zh) * 2015-03-09 2015-06-24 扬州雷鸥电业有限公司 串联呼吸型板仓连接式固体碳燃料电池堆及其发电方法
CN104733761A (zh) * 2015-03-09 2015-06-24 扬州雷鸥电业有限公司 串联呼吸型单板仓固体碳燃料电池堆及其发电方法
CN104733760A (zh) * 2015-03-09 2015-06-24 扬州雷鸥电业有限公司 串联呼吸型双板仓固体碳燃料电池堆及其发电方法
CN104733765A (zh) * 2015-03-09 2015-06-24 扬州雷鸥电业有限公司 并联呼吸型板仓连接式固体碳燃料电池堆及其发电方法
CN105024446A (zh) * 2015-07-02 2015-11-04 北京明德微纳技术发展有限公司 供电方法
CN105047969A (zh) * 2015-09-01 2015-11-11 华中科技大学 一种锑阳极直接碳固体氧化物燃料电池电堆及其制备方法
CN105206487A (zh) * 2015-10-08 2015-12-30 清华大学 一种液态金属等离子体彩色显示装置及制备方法
CN105206862A (zh) * 2015-09-01 2015-12-30 华中科技大学 一种锑阳极直接碳固体氧化物燃料电池电堆系统及制备方法
CN108320837A (zh) * 2018-01-17 2018-07-24 云南大学 一种复合碳对电极材料及其制备方法与应用
CN108365238A (zh) * 2018-01-29 2018-08-03 江南山 一种液态金属燃料电池
CN108470902A (zh) * 2018-03-23 2018-08-31 西北工业大学 一种适用于深海耐压的半液态金属动力锂电池
CN109428104A (zh) * 2017-08-31 2019-03-05 中国科学院理化技术研究所 一种液态金属生物质电池
JP2019517124A (ja) * 2016-05-19 2019-06-20 サウジ アラビアン オイル カンパニーＳａｕｄｉ Ａｒａｂｉａｎ Ｏｉｌ Ｃｏｍｐａｎｙ 輸送に関連する補助電力ユニットのための溶融金属アノード固体酸化物燃料電池
CN110451533A (zh) * 2018-08-06 2019-11-15 南方科技大学 锂盐的提纯装置和提纯方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3432352A (en) * 1963-05-27 1969-03-11 Gen Electric High temperature fuel cell having a palladium film between the anode and electrolyte
US20060257702A1 (en) * 2005-05-16 2006-11-16 Clean Coal Energy, Llc High temperature direct coal fuel cell
CN1988229A (zh) * 2006-12-22 2007-06-27 清华大学 一种埋管式鼓泡床直接炭燃料电池
CN102088100A (zh) * 2010-12-16 2011-06-08 清华大学 一种提高固体氧化物直接碳燃料电池性能的方法
CN102324539A (zh) * 2011-08-01 2012-01-18 清华大学 一种流化床电极直接碳燃料电池装置
CN102723516A (zh) * 2012-06-15 2012-10-10 东营杰达化工科技有限公司 一种以液态金属锡为阳极的直碳燃料电池装置

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3432352A (en) * 1963-05-27 1969-03-11 Gen Electric High temperature fuel cell having a palladium film between the anode and electrolyte
US20060257702A1 (en) * 2005-05-16 2006-11-16 Clean Coal Energy, Llc High temperature direct coal fuel cell
CN1988229A (zh) * 2006-12-22 2007-06-27 清华大学 一种埋管式鼓泡床直接炭燃料电池
CN102088100A (zh) * 2010-12-16 2011-06-08 清华大学 一种提高固体氧化物直接碳燃料电池性能的方法
CN102324539A (zh) * 2011-08-01 2012-01-18 清华大学 一种流化床电极直接碳燃料电池装置
CN102723516A (zh) * 2012-06-15 2012-10-10 东营杰达化工科技有限公司 一种以液态金属锡为阳极的直碳燃料电池装置

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
THMOS TAO ET AL.: "liquid tin anode SOFC for direct fuel conversion-impact of coal and JP-8 impurities", 《ECS TRANSACTIONS》 *

Cited By (25)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104733765B (zh) * 2015-03-09 2018-04-20 扬州雷鸥电业有限公司 并联呼吸型板仓连接式固体碳燃料电池堆及其发电方法
CN104733743A (zh) * 2015-03-09 2015-06-24 扬州雷鸥电业有限公司 并联呼吸型单板仓固体碳燃料电池堆及其发电方法
CN104733766A (zh) * 2015-03-09 2015-06-24 扬州雷鸥电业有限公司 串联呼吸型板仓连接式固体碳燃料电池堆及其发电方法
CN104733761A (zh) * 2015-03-09 2015-06-24 扬州雷鸥电业有限公司 串联呼吸型单板仓固体碳燃料电池堆及其发电方法
CN104733760A (zh) * 2015-03-09 2015-06-24 扬州雷鸥电业有限公司 串联呼吸型双板仓固体碳燃料电池堆及其发电方法
CN104733765A (zh) * 2015-03-09 2015-06-24 扬州雷鸥电业有限公司 并联呼吸型板仓连接式固体碳燃料电池堆及其发电方法
CN104733762A (zh) * 2015-03-09 2015-06-24 扬州雷鸥电业有限公司 并联呼吸型双板仓固体碳燃料电池堆及其发电方法
CN104733760B (zh) * 2015-03-09 2018-04-20 扬州雷鸥电业有限公司 串联呼吸型双板仓固体碳燃料电池堆及其发电方法
CN104733766B (zh) * 2015-03-09 2018-04-20 扬州雷鸥电业有限公司 串联呼吸型板仓连接式固体碳燃料电池堆及其发电方法
CN104733762B (zh) * 2015-03-09 2018-04-20 扬州雷鸥电业有限公司 并联呼吸型双板仓固体碳燃料电池堆及其发电方法
CN104733743B (zh) * 2015-03-09 2018-04-20 扬州雷鸥电业有限公司 并联呼吸型单板仓固体碳燃料电池堆及其发电方法
CN104733761B (zh) * 2015-03-09 2018-04-20 扬州雷鸥电业有限公司 串联呼吸型单板仓固体碳燃料电池堆及其发电方法
CN105024446A (zh) * 2015-07-02 2015-11-04 北京明德微纳技术发展有限公司 供电方法
CN105206862A (zh) * 2015-09-01 2015-12-30 华中科技大学 一种锑阳极直接碳固体氧化物燃料电池电堆系统及制备方法
CN105047969A (zh) * 2015-09-01 2015-11-11 华中科技大学 一种锑阳极直接碳固体氧化物燃料电池电堆及其制备方法
CN105206487A (zh) * 2015-10-08 2015-12-30 清华大学 一种液态金属等离子体彩色显示装置及制备方法
JP2019517124A (ja) * 2016-05-19 2019-06-20 サウジ アラビアン オイル カンパニーＳａｕｄｉ Ａｒａｂｉａｎ Ｏｉｌ Ｃｏｍｐａｎｙ 輸送に関連する補助電力ユニットのための溶融金属アノード固体酸化物燃料電池
US10661736B2 (en) 2016-05-19 2020-05-26 Saudi Arabian Oil Company Molten metal anode solid oxide fuel cell for transportation-related auxiliary power units
CN109428104A (zh) * 2017-08-31 2019-03-05 中国科学院理化技术研究所 一种液态金属生物质电池
CN108320837A (zh) * 2018-01-17 2018-07-24 云南大学 一种复合碳对电极材料及其制备方法与应用
CN108365238A (zh) * 2018-01-29 2018-08-03 江南山 一种液态金属燃料电池
CN108365238B (zh) * 2018-01-29 2021-12-24 江南山 一种液态金属燃料电池
CN108470902A (zh) * 2018-03-23 2018-08-31 西北工业大学 一种适用于深海耐压的半液态金属动力锂电池
CN110451533A (zh) * 2018-08-06 2019-11-15 南方科技大学 锂盐的提纯装置和提纯方法
CN110451533B (zh) * 2018-08-06 2022-03-01 南方科技大学 锂盐的提纯装置和提纯方法

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Assignee: Xi'an Zhongantimony New Energy Technology Co.,Ltd.

Assignor: TSINGHUA University

Contract record no.: X2023980037598

Denomination of invention: Integrated device for power generation and energy storage based on liquid metal anode direct carbon fuel cells

Granted publication date: 20160406

License type: Exclusive License

Record date: 20230705

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