CN104733762B - 并联呼吸型双板仓固体碳燃料电池堆及其发电方法 - Google Patents
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Abstract
并联呼吸型双板仓固体碳燃料电池堆及其发电方法，属于燃料电池技术领域。该电池堆将多组电池单元并联连接，每组电池单元包括电解液仓、阳极板仓和阴极板仓，阳极板仓和阴极板仓设置于电解液仓内；然后由呼吸装置提供阳极进气、阴极进气和阳极出气的正负压力，加速电池内电解液的交换速度，设置阳极板仓和阴极板仓两个板仓的方式，阳极板仓和阴极板仓采用螺旋式管道设计，延长燃料通道，同时燃料浓度和电极表面积相匹配，提高电极效率和燃料效率，结构简单、容易制造、成本较低。该电池堆阳极排气管与呼吸装置连接，阳极排气管排出的水蒸气可以通过呼吸装置返回到阳极进气管和阴极进气管，提高水的利用率，不需要额外的预热或加热，节省能源。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，特别涉及一种呼吸型固体碳燃料电池堆，另外还涉及其发电方法。
背景技术
能源是人类经济的支柱，也是社会活动的必须动力。目前主要通过热机获得社会活动所需的初级动力，然后转化为电能。但是，由于热机受到“卡诺循环”的限制，效率提高较为困难，造成能源浪费、污染排放增加等问题。因此，开发高效、清洁的电能获取方式，成为能源发展的必然方向。
燃料电池可将储存在燃料中的化学能直接转化为电能，不受“卡诺循环”的限制，具有能量转换效率高、洁净、无污染、噪声低、比功率高等优点，受到世界各国的广泛重视。其中，直接固体碳燃料电池(Direct Carbon Fuel Cell,简称DCFC)采用固体碳作为燃料，将其中化学能直接转化为电能，更具有以下优点：直接而高效利用了化学燃料中碳的能量；固体碳燃料电池的理论热率为100％，熵变为0；碳的进料和产出的二氧化碳集成在一个单元里，容易收集；煤炭资源丰富，且通过植物再生获取生物质碳简单、廉价、环保；固体碳安全，运输和储存方便；固体碳直接利用，加工简单、无污染。
直接固体碳燃料电池根据电解质不同可分为多种类型，固体氧化物燃料电池和熔融碳酸盐燃料电池大多温度高，电能的转换效率低，结构复杂，并且使用隔膜，具有维修或者替换困难等缺点。而采用熔融碱电解质(电解液)的固体碳燃料电池，具有温度低、电池效率高，结构简单，维修方便等优点。
19世纪末期，由于火力发电的效率低到2.6％，科学家们为提高效率，精简能量转化过程而研发了DCFC技术。1896年Jacques建造了第一个DCFC模型，在500℃利用碳电极测得了高于1V的开路电压，并且最大电流密度达到了100mA/cm2。由于碱电解质的碳酸化和残渣的累积，导致该系统无法连续运行。
在DCFC中，以碱性电解质为例，固体碳燃料作为阳极，发生氧化反应(反应一)，释放电子；氧气在阴极中发生还原反应(反应二)，获得电子；电子从阳极到阴极的转移为外界提供电能，电解质中OH-从阴极到阳极的转移形成完整电路，二氧化碳作为唯一的反应产物释放出来(反应三)。各反应化学式如下：
阳极反应：C+4OH-→CO2+2H2O+4e- (一)
阴极反应：O2+2H2O+4e-→4OH- (二)
总反应：C+O2→CO2 (三)
在DCFC中，以碳酸盐电解质为例，固体碳燃料作为阳极，发生氧化反应(反应四)，释放电子；氧气在阴极中发生还原反应(反应五)，获得电子；电子从阳极到阴极的转移为外界提供电能，电解质中CO3 2-从阴极到阳极的转移形成完整电路，二氧化碳作为唯一的反应产物释放出来(反应三)。各反应化学式如下：
阳极反应：C+2CO3 2-→3CO2+4e- (四)
阴极反应：O2+2CO2+4e-→2CO3 2- (五)
总反应：C+O2→CO2 (三)
近年来由于全球暖化、酸雨以及固体空气颗粒物的增多都主要归咎于火电厂的污染排放，同时，能量效率只停留在35％左右，DCFC的技术开发提上日程。美国的SRI、LLNL和SARA等率先开始这方面的科研。2010年，来自澳大利亚、英国和中国的学者也加入了研发队伍。目前，DCFC技术仍处于学术研究和产品研发阶段，技术研究将不断扩大。下面对具代表性的研究模型进行介绍。
为了提高电池的工作效率、降低成本，迫切需要简单、易造、高效的固体碳燃料电池。
以Cooper领导的美国Lawrence国家实验室(Lawrence Livermore NationalLaboratory(LLNL))开发了熔融碳酸盐的燃料电池。该电池采用高温(800℃)的熔融碳酸盐作为电解质，固体炭颗粒作为燃料，空气中的氧气作为阴极还原剂。在800℃的运行温度下，优化电流密度为120mA/cm2，功率密度为60mW/cm2。
以Zecevic领导的研发组在美国SARA公司开发了碱性直接碳燃料电池。石墨碳棒被用于燃料，同时作为阳极导体浸泡在熔融的氢氧化钠电解质中，氧气通过电池底部的分散管通入，并与作为容器壁的阴极接触发生反应。在630℃的运行温度下，取得了优化电流密度为250mA/cm2，功率密度为57mW/cm2。
Irvine教授在英国University of St Andrews领导了复合固体氧化物与熔融碳酸盐的管状直接碳燃料电池项目。固体颗粒碳燃料与熔融碳酸盐混合加入阳极仓中，固体氧化物作为电解质，氧气吹入阴极作为还原剂。在800℃的运行温度下，优化电流密度和功率密度分别达到170mA/cm2和50mW/cm2。
在中国也有学者进行这方面的开发研究，例如哈尔滨工程大学的曹殿学、清华大学的Ningsheng Cai、天津大学的Yongdan Li等。目前的研究一般都在较高的温度(630-800℃)下运行，随着温度的升高反应的速度提高，但电极材料的腐蚀，尤其炭燃料的消耗都随之提高。Boudouard反应指出碳会与二氧化碳(CO2)发生化学反应产生一氧化碳(CO)。
C+CO2＝CO
以碱性电解质为例，伴随温度的提高，气体中一氧化碳(CO)的含量按指数提升，例如在800℃时，有89％的气体成分是CO，意味着89％的固体碳与CO2发生了化学反应而消耗。那么，消耗的碳就无法产生电子，从而提供电能。在600℃时，25％的气体成分是CO。所以，降低温度将会大幅提高燃料的发电效率。
以碳酸盐电解质为例，伴随温度的降低，反应速度降低，例如在650℃时，反应不能发生。
检索到相关专利包括：一种流化床电极直接碳燃料电池装置CN201110217478.6，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，但是该装置没有呼吸装置，电池效率较低，产生的功率密度也较低；一种熔融碳酸盐直接碳燃料电池堆CN202308175U，该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。本实用新型解决了直接碳燃料电池的固体碳燃料连续给料难题，但是结构复杂、制造困难，熔融碳酸盐需要较高的温度，成本较高。
目前，现有的固体碳燃料电池存在以下缺点：
1、电池的工作效率低、成本高、结构复杂、制造困难；
2、功率密度低、反应温度高；
3、电池内电路消耗较大，内阻过大，水的利用率不高，电池使用寿命较短。
发明内容
本发明的目的是解决上述现有技术中存在的不足，提供一种并联呼吸型双板仓固体碳燃料电池堆及其发电方法，该电池堆将多组电池单元并联连接在一起，然后由呼吸装置提供阳极进气、阴极进气和阳极出气的正负压力，加速电池内电解液的交换速度，增加传质速度，利用阳极呼气作为载气输送碳燃料，不需另外载气装置，水在阳极循环利用，抑制CO的生成，充分利用呼吸装置，设置阳极板仓和阴极板仓两个板仓的方式，阳极板仓和阴极板仓采用螺旋式管道设计，延长燃料通道，同时燃料浓度和电极表面积相匹配，提高电极效率和燃料效率，结构简单、容易制造、成本较低。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：并联呼吸型双板仓固体碳燃料电池堆，包括呼吸装置、电池单元，其特征在于：至少两组电池单元并联连接于呼吸装置之上，所述呼吸装置的高压端连接呼气主管道，呼吸装置的低压端连接吸气主管道，所述呼气主管道连接至少一根呼气支管道，所述吸气主管道连接至少一根吸气支管道，至少两组电池单元的阳极进气管和阴极进气管上端均连接于呼气支管道之上，至少两组电池单元的阳极排气管上端连接于吸气支管道之上；
所述每组电池单元包括电解液仓、阳极板仓和阴极板仓，所述阳极板仓和阴极板仓设置于电解液仓内；
所述电解液仓内注入电解液，所述阳极板仓和阴极板仓包括大板仓室和小板仓室，所述阳极板仓的小板仓室底端设置有阳极电解液连通口且浸入电解液中，所述阴极板仓小板仓室底端设置有阴极电解液连通口且浸入电解液中，所述阳极板仓和阴极板仓的大板仓室上部均高出电解液液面；
所述阳极进气管上端连接呼气支气管，阳极进气管连接有燃料输送装置，阳极进气管下端伸入到阳极板仓内且开口浸入到电解液中，阳极排气管上端与吸气支气管相连，其下端伸入到阳极板仓内且开口未浸入电解液中，阳极接线板与阳极板仓连接共同构成阳极集流板；
所述阴极进气管上部连接呼气支气管和气体输送装置，阴极进气管下端伸入到阴极板仓内且开口浸入到电解液中，阴极排气管下端伸入到阴极板仓内且开口未浸入电解液中，阴极接线板与阴极板仓连接共同构成阴极集流板；
所述阳极板仓内设有碳燃料，所述阴极板仓内设有氧气；
所述阳极板仓与阳极进气管、阳极排气管连接处密封，所述阴极板仓与阴极进气管、阴极排气管连接处密封。
所述呼吸装置为涡轮增压机或者活塞气缸或罗茨增压机，呼吸装置的呼吸频率为2-2000Hz。
所述阳极板仓和阴极板仓之间设置有绝缘隔板。
所述阳极板仓和/或阴极板仓的小板仓室设置为螺旋式管道。
所述阳极板仓和/或阴极板仓的大板仓室和/或小板仓室内设置有电极填料。
所述呼气支气管与燃料输送装置之间的阳极进气管上设置阳极控制阀；所述与阴极进气管连接的呼气支气管上设置阴极控制阀。
所述电池单元为2-600组。
并联呼吸型双板仓固体碳燃料电池堆的发电方法：其特征在于：在每组电池单元内保持电解液仓中熔融KOH和/或NaOH温度为400-650℃的条件下，向阳极板仓中送入碳燃料，同时向阴极板仓中送入含有氧气和/或空气和H2O的混合气体，在阳极板仓和阴极板仓中发生燃料电池反应；开启呼吸装置，阳极板仓中产生的和剩余的气体通过排气管道进入呼吸装置，呼吸装置增压后将气体送入阳极板仓和阴极板仓，然后向阳极板仓通入碳燃料，阴极板仓通入氧气和/或空气，阳极板仓和/或阴极板仓通入H2O，在阳极板仓和阴极板仓中发生燃料电池反应，阳极板仓排出气体循环呼吸利用，与外电路形成持续的电流环路。
所述的并联呼吸型双板仓固体碳燃料电池堆的发电方法：其特征在于：包括以下具体步骤：
(1)预处理
向每组电池单元的电解液仓内加入电解液KOH和/或NaOH的原料，加热电解液原料形成熔融的KOH和/或NaOH，并维持该电解液温度为400-650℃，使该电解液浸入阴极进气管和阳极进气管，且未浸入阳极排气管和阴极排气管；
(2)电池单元内启动反应
在每组电池单元中，通过气体输送装置向阴极板仓送入含有氧气或/和空气和H2O的混合气体，利用载气通过燃料输送装置向阳极进气管送入碳燃料，所述载气为CO2、N2、H2O、Ar、He的一种或几种气体，在阴极板仓内，氧气和H2O反应生成OH-，获得电子，OH-扩散到电解液中，进入阳极板仓，OH-与碳燃料反应生成CO2和H2O，副反应生成CO，失去电子，电子通过阳极集流板到外电路，再经阴极集流板完成电流环路；
(3)气体呼吸循环
继续向阴极进气管中送入氧气或/和空气，继续向阳极进气管中送入碳燃料，同时向阴极进气管和/或阳极进气管中送入H2O，开启呼吸装置、阳极控制阀和阴极控制阀，设置呼吸装置呼气时，阳极控制阀和阴极控制阀打开，设置呼吸装置吸气时，阳极控制阀和阴极控制阀闭合，停止送入载气，阳极板仓中反应后的气体CO2、CO、H2O和剩余的气体随吸气支管道及吸气主管道进入呼吸装置，该气体又被呼吸装置通过呼气主管道和呼气支管道送入阳极进气管和阴极进气管，送入阳极进气管的气体作为载气输送碳燃料和H2O或碳燃料进入阳极板仓；送入阴极进气管的气体中，H2O在阴极板仓参与反应，CO与通过气体输送装置进入阴极板仓的氧气反应生成CO2，CO2及其他剩余的气体经阴极出气管排出；气体循环呼吸，阳极板仓和阴极板仓中的反应持续进行，与外电路形成持续的电流环路。
并联呼吸型双板仓固体碳燃料电池堆的发电方法：其特征在于：在每组电池单元内保持电解液仓中熔融K2CO3和/或Na2CO3和/或Li2CO3温度为750-1000℃的条件下，向阳极板仓中送入碳燃料，同时向阴极板仓中送入含有氧气和/或空气和二氧化碳的混合气体，在阳极板仓和阴极板仓中发生燃料电池反应；开启呼吸装置，阳极板仓中产生和剩余的气体通过排气管道进入呼吸装置，呼吸装置增压后将气体送入阳极板仓和阴极板仓，然后向阳极板仓通入碳燃料，阴极板仓通入氧气和/或空气，在阳极板仓和阴极板仓中发生燃料电池反应，阳极板仓排出气体循环呼吸利用，与外电路形成持续的电流环路。
所述的并联呼吸型双板仓固体碳燃料电池堆的发电方法：其特征在于：包括以下具体步骤：
(1)预处理
向每组电池单元的电解液仓内加入电解液K2CO3和/或Na2CO3和/或Li2CO3原料，加热电解液原料形成熔融的K2CO3和/或Na2CO3和/或Li2CO3，并维持该电解液温度为750-1000℃，使该电解液浸入阴极进气管和阳极进气管，且未浸入阳极排气管和阴极排气管；
(2)电池单元内启动反应
在每组电池单元中，通过气体输送装置向阴极板仓送入含氧气和/或空气和二氧化碳的混合气体，利用载气通过燃料输送装置向阳极进气管送入碳燃料，所述载气为CO2、N2、Ar、He的一种或几种气体，在阴极板仓内，氧气和二氧化碳反应生成CO3 2-，获得电子，CO3 2-扩散到电解液中，进入阳极板仓，CO3 2-与碳燃料反应生成CO2，副反应生成CO，失去电子，电子通过阳极集流板到外电路，再经阴极集流板完成电流环路；
(3)气体呼吸循环
停止向阴极进气管中送入二氧化碳，继续向阴极进气管中送入氧气或空气，继续向阳极进气管中送入碳燃料，开启呼吸装置、阳极控制阀和阴极控制阀，设置呼吸装置呼气时，阳极控制阀和阴极控制阀的打开，设置呼吸装置吸气时，阳极控制阀和阴极控制阀闭合，停止送入载气，阳极板仓中反应后的气体CO2、CO和剩余的气体随吸气支管道及吸气主管道进入呼吸装置，该气体又被呼吸装置通过呼气主管道和呼气支管道送入阳极进气管和阴极进气管，送入阳极进气管的气体作为载气输送碳燃料进入阳极板仓；送入阴极进气管的气体中，CO与通过气体输送装置进入阴极板仓的氧气反应生成CO2，CO2及其他剩余的气体经阴极出气管排出，气体循环呼吸，阳极板仓和阴极板仓中的反应持续进行，与外电路形成持续的电流环路。
所述碳燃料是石墨、焦炭、炭黑、煤、活性炭、生物质炭或石油焦的一种或几种，其颗粒的粒径为10-200目。
所述加入到阴极板仓中的氧气和/或空气和H2O的气体中氧气和H2O的摩尔比为0.1～10:1。
所述向阴极板仓送入含氧气和/或空气和二氧化碳的混合气体中氧气和二氧化碳的摩尔比为0.1～10:1。
本发明获得的有益效果是：
(1)该电池堆采用多组电池单元并联连接在一起，然后由呼吸装置提供阳极进气、阴极进气和阳极出气的正负压力，充分利用了呼吸装置，设置阳极板仓、阴极板仓和电解液仓，增加电池内阳极板仓、电解液仓和阴极板仓之间的电解质交换速度，提高电池效率；
(2)该电池堆的阳极和阴极的电极采用螺旋式管道设计，延长燃料通道，同时燃料浓度和电极表面积相匹配，提高电极效率和燃料效率，降低电池极化，减少内阻，减少电池内电路消耗，增加电池外电路功率；
(3)该电池堆阳极排气管与呼吸装置连接，阳极排气管排出的水蒸气可以通过呼吸装置返回到阳极进气管和阴极进气管，提高水的利用率，同时水在整个过程中都是在装置中运行，不需要额外的预热或加热，节省能源；
(4)通过燃料输送装置增加了水蒸汽通道，水蒸汽加入后，有利于阻止OH-与CO2反应生成CO3 2-，减缓电解液的碳酸化，增加电池寿命；
(5)增加了阳极排气后通过呼吸装置回流的通道，阳极排出的气体输送到阳极进气管和阴极进气管循环利用，不需要额外的补充较高温度的包含惰性气体的载气气体，减少外界载气气体的使用，也减少额外的预热或加热，降低电池成本。
附图说明
图1为并联呼吸型双板仓固体碳燃料电池堆俯视结构示意图。
图2为图1中电池单元俯视结构示意图。
图3为图1电池单元正视结构示意图。
图4为图3中螺旋式管道俯视结构示意图。
图中：1、呼吸装置，2、呼气主管道，3、吸气主管道，4、吸气支管道，5、呼气支管道，6、电池单元，61、电解液仓，7、阳极板仓，8、阴极板仓，9、绝缘隔板，10、阳极进气管，11、阳极接线板，111、阳极排气管，12、阴极接线板，121、阴极排气管，13、阴极进气管，14、电解液，15、螺旋式管道，16、阳极电解液连通口，17、阴极电解液连通口，18、电极填料，19、燃料输送装置，20、气体输送装置，21、阳极控制阀，22、阴极控制阀
具体实施方式
下面结合具体实施例及附图详细说明本发明，但本发明并不局限于具体实施例。
实施例1
如附图1-4所示并联呼吸型双板仓固体碳燃料电池堆，包括呼吸装置1、电池单元6，一组电池单元连接于呼吸装置之上，呼吸装置的高压端连接呼气主管道2，呼吸装置的低压端连接吸气主管道3，呼气主管道连接一根呼气支管道5，吸气主管道连接一根吸气支管道4，一组电池单元的阳极进气管10和阴极进气管13上端均连接于呼气支管道5之上，一组电池单元的阳极排气管111上端连接于吸气支管道4之上；
电池单元包括电解液仓61、阳极板仓7和阴极板仓8，阳极板仓7和阴极板仓8设置于电解液仓内；
电解液仓内注入电解液14，阳极板仓和阴极板仓包括大板仓室和小板仓室，阳极板仓的小板仓室底端设置有阳极电解液连通口16且浸入电解液中，所述阴极板仓小板仓室底端设置有阴极电解液连通口17且浸入电解液中，所述阳极板仓和阴极板仓的大板仓室上部均高出电解液液面；
阳极进气管10上端连接呼气支气管5，阳极进气管10连接有燃料输送装置19，阳极进气管下端伸入到阳极板仓内且开口浸入到电解液中，阳极排气管111上端与吸气支气管4相连，其下端伸入到阳极板仓内且开口未浸入电解液中，阳极接线板11与阳极板仓连接共同构成阳极集流板；
阴极进气管13上部连接呼气支气管5和气体输送装置20，阴极进气管下端伸入到阴极板仓内且开口浸入到电解液中，阴极排气管121下端伸入到阴极板仓内且开口未浸入电解液中，阴极接线板12与阴极板仓连接共同构成阴极集流板；
阳极板仓内设有碳燃料，阴极板仓内设有氧气；
阳极板仓与阳极进气管、阳极排气管连接处密封，阴极板仓与阴极进气管、阴极排气管连接处密封。
呼吸装置为涡轮增压机，呼吸装置的呼吸频率为2000Hz。
阳极板仓和阴极板仓之间设置有绝缘隔板9。
阳极板仓和阴极板仓的小板仓室设置为螺旋式管道15。
阳极板仓和阴极板仓的大板仓室和小板仓室内设置有电极填料18。
呼气支气管与燃料输送装置之间的阳极进气管上设置阳极控制阀21；所述与阴极进气管连接的呼气支气管上设置阴极控制阀22。
实施例2
该实施例与实施例1基本结构相同，不同的技术参数如下：
(1)六佰组电池单元并联连接于呼吸装置之上，呼气主管道连接十根呼气支管道5，吸气主管道连接十根吸气支管道4，六十组电池单元的阳极进气管10和阴极进气管13上端均连接于呼气支管道5之上，六十组电池单元的阳极排气管111上端连接于吸气支管道4之上；
(2)呼吸装置为活塞气缸，呼吸装置的呼吸频率为2Hz。
(3)阳极板仓的小板仓室设置为螺旋式管道15。
(4)阳极板仓和阴极板仓的大板仓室内设置有电极填料18。
实施例3
该实施例与实施例1基本结构相同，不同的技术参数如下：
(1)三十组电池单元并联连接于呼吸装置之上，呼气主管道连接五根呼气支管道5，吸气主管道连接五根吸气支管道4，六组电池单元的阳极进气管10和阴极进气管13上端均连接于呼气支管道5之上，六组电池单元的阳极排气管111上端连接于吸气支管道4之上。
(2)呼吸装置为罗茨增压机，呼吸装置的呼吸频率为600Hz。
(3)阳极板仓和阴极板仓的小板仓室设置为螺旋式管道15。
(4)阳极板仓和阴极板仓的大板仓室内设置有电极填料18。
实施例4
该实施例采用实施例2所述的并联呼吸型双板仓固体碳燃料电池堆进行发电的方法：包括以下具体步骤：
(1)预处理
向每组电池单元的电解液仓内加入电解液KOH的原料，加热电解液原料形成熔融的KOH，并维持该电解液温度为400℃，使该电解液浸入阴极进气管和阳极进气管，且未浸入阳极排气管和阴极排气管；
(2)电池单元内启动反应
在每组电池单元中，通过气体输送装置向阴极板仓送入含有氧气或/和空气和H2O的混合气体，利用载气通过燃料输送装置向阳极进气管送入碳燃料，所述载气为CO2、N2、H2O、Ar、He的一种或几种气体，在阴极板仓内，氧气和H2O反应生成OH-，获得电子，OH-扩散到电解液中，进入阳极板仓，OH-与碳燃料反应生成CO2和H2O，副反应生成CO，失去电子，电子通过阳极集流板到外电路，再经阴极集流板完成电流环路；
(3)气体呼吸循环
继续向阴极进气管中送入氧气或/和空气，继续向阳极进气管中送入碳燃料，同时向阴极进气管和/或阳极进气管中送入H2O，开启呼吸装置、阳极控制阀和阴极控制阀，设置呼吸装置呼气时，阳极控制阀和阴极控制阀打开，设置呼吸装置吸气时，阳极控制阀和阴极控制阀闭合，停止送入载气，阳极板仓中反应后的气体CO2、CO、H2O和剩余的气体随吸气支管道及吸气主管道进入呼吸装置，该气体又被呼吸装置通过呼气主管道和呼气支管道送入阳极进气管和阴极进气管，送入阳极进气管的气体作为载气输送碳燃料和H2O或碳燃料进入阳极板仓；送入阴极进气管的气体中，H2O在阴极板仓参与反应，CO与通过气体输送装置20进入阴极板仓的氧气反应生成CO2，CO2及其他剩余的气体经阴极出气管排出；气体循环呼吸，阳极板仓和阴极板仓中的反应持续进行，与外电路形成持续的电流环路。
碳燃料为焦炭、炭黑和石油焦，其颗粒的粒径为10目。
加入到阴极板仓中的氧气和/或空气和H2O的气体中氧气和H2O的摩尔比为0.1:1。
实施例5
该实施例与实施例4基本工艺流程相同，不同的技术参数如下：
(1)向每组电池单元的电解液仓内加入电解液NaOH的原料，加热电解液原料形成熔融的NaOH，并维持该电解液温度为500℃。
(2)碳燃料为石墨和炭黑，其颗粒的粒径为80目。
(3)加入到阴极板仓中的氧气和/或空气和H2O的气体中氧气和H2O的摩尔比为3:1。
实施例6
该实施例与实施例4基本工艺流程相同，不同的技术参数如下：
(1)向每组电池单元的电解液仓内加入电解液KOH和NaOH的原料，加热电解液原料形成熔融的KOH和NaOH，并维持该电解液温度为650℃。
(2)碳燃料为煤、活性炭和生物质炭，其颗粒的粒径为200目。
(3)加入到阴极板仓中的氧气和/或空气和H2O的气体中氧气和H2O的摩尔比为10:1。
实施例7
该实施例采用实施例3所述的并联呼吸型双板仓固体碳燃料电池堆进行发电的方法：包括以下具体步骤：
(1)预处理
向每组电池单元的电解液仓内加入电解液Li2CO3原料，加热电解液原料形成熔融的Li2CO3，并维持该电解液温度为750℃，使该电解液浸入阴极进气管和阳极进气管，且未浸入阳极排气管和阴极排气管；
(2)电池单元内启动反应
在每组电池单元中，通过气体输送装置向阴极板仓送入含氧气和/或空气和二氧化碳的混合气体，利用载气通过燃料输送装置向阳极进气管送入碳燃料，所述载气为CO2、N2、Ar、He的一种或几种气体，在阴极板仓内，氧气和二氧化碳反应生成CO3 2-，获得电子，CO3 2-扩散到电解液中，进入阳极板仓，CO3 2-与碳燃料反应生成CO2，副反应生成CO，失去电子，电子通过阳极集流板到外电路，再经阴极集流板完成电流环路；
(3)气体呼吸循环
停止向阴极进气管中送入二氧化碳，继续向阴极进气管中送入氧气或空气，继续向阳极进气管中送入碳燃料，开启呼吸装置、阳极控制阀和阴极控制阀，设置呼吸装置呼气时，阳极控制阀和阴极控制阀的打开，设置呼吸装置吸气时，阳极控制阀和阴极控制阀闭合，停止送入载气，阳极板仓中反应后的气体CO2、CO和剩余的气体随吸气支管道及吸气主管道进入呼吸装置，该气体又被呼吸装置通过呼气主管道和呼气支管道送入阳极进气管和阴极进气管，送入阳极进气管的气体作为载气输送碳燃料进入阳极板仓；送入阴极进气管的气体中，CO与通过气体输送装置20进入阴极板仓的氧气反应生成CO2，CO2及其他剩余的气体经阴极出气管排出，气体循环呼吸，阳极板仓和阴极板仓中的反应持续进行，与外电路形成持续的电流环路。
碳燃料是焦炭、炭黑和煤，其颗粒的粒径为10目。
向阴极板仓送入含氧气和/或空气和二氧化碳的混合气体中氧气和二氧化碳的摩尔比为0.1:1。
实施例8
该实施例与实施例7基本工艺流程相同，不同的技术参数如下：
(1)向每组电池单元的电解液仓内加入电解液K2CO3和Na2CO3原料，加热电解液原料形成熔融的K2CO3和Na2CO3，并维持该电解液温度为850℃，
(2)碳燃料为煤、石墨和生物质炭，其颗粒的粒径为90目。
(3)向阴极板仓送入含氧气和/或空气和二氧化碳的混合气体中氧气和二氧化碳的摩尔比为4:1。
实施例9
该实施例与实施例7基本工艺流程相同，不同的技术参数如下：
(1)向每组电池单元的电解液仓内加入电解液Li2CO3和Na2CO3原料，加热电解液原料形成熔融的Li2CO3和Na2CO3，并维持该电解液温度为1000℃，
(2)碳燃料为煤、石墨和生物质炭，其颗粒的粒径为200目。
(3)向阴极板仓送入含氧气和/或空气和二氧化碳的混合气体中氧气和二氧化碳的摩尔比为10:1。
Claims (14)
1.并联呼吸型双板仓固体碳燃料电池堆，包括呼吸装置(1)、电池单元(6)，其特征在于：至少两组电池单元并联连接于呼吸装置之上，所述呼吸装置的高压端连接呼气主管道(2)，呼吸装置的低压端连接吸气主管道(3)，所述呼气主管道连接至少一根呼气支管道(5)，所述吸气主管道连接至少一根吸气支管道(4)，至少两组电池单元的阳极进气管(10)和阴极进气管(13)上端均连接于呼气支管道(5)之上，至少两组电池单元的阳极排气管(111)上端连接于吸气支管道(4)之上；
所述每组电池单元包括电解液仓(61)、阳极板仓(7)和阴极板仓(8)，所述阳极板仓(7)和阴极板仓(8)设置于电解液仓内；
所述电解液仓内注入电解液(14)，所述阳极板仓和阴极板仓包括大板仓室和小板仓室，所述阳极板仓的小板仓室底端设置有阳极电解液连通口(16)且浸入电解液中，所述阴极板仓小板仓室底端设置有阴极电解液连通口(17)且浸入电解液中，所述阳极板仓和阴极板仓的大板仓室上部均高出电解液液面；
所述阳极进气管(10)上端连接呼气支气管(5)，阳极进气管(10)连接有燃料输送装置(19)，阳极进气管下端伸入到阳极板仓内且开口浸入到电解液中，阳极排气管(111)上端与吸气支气管(4)相连，其下端伸入到阳极板仓内且开口未浸入电解液中，阳极接线板(11)与阳极板仓连接共同构成阳极集流板；
所述阴极进气管(13)上部连接呼气支气管(5)和气体输送装置(20)，阴极进气管下端伸入到阴极板仓内且开口浸入到电解液中，阴极排气管(121)下端伸入到阴极板仓内且开口未浸入电解液中，阴极接线板(12)与阴极板仓连接共同构成阴极集流板；
所述阳极板仓内设有碳燃料，所述阴极板仓内设有氧气；
所述阳极板仓与阳极进气管、阳极排气管连接处密封，所述阴极板仓与阴极进气管、阴极排气管连接处密封。
2.根据权利要求1所述的并联呼吸型双板仓固体碳燃料电池堆，其特征在于：所述呼吸装置为涡轮增压机或者活塞气缸或罗茨增压机，呼吸装置的呼吸频率为2-2000Hz。
3.根据权利要求1所述的并联呼吸型双板仓固体碳燃料电池堆，其特征在于：所述阳极板仓和阴极板仓之间设置有绝缘隔板(9)。
4.根据权利要求1所述的并联呼吸型双板仓固体碳燃料电池堆，其特征在于：所述阳极板仓和/或阴极板仓的小板仓室设置为螺旋式管道(15)。
5.根据权利要求1所述的并联呼吸型双板仓固体碳燃料电池堆，其特征在于：所述阳极板仓和/或阴极板仓的大板仓室和/或小板仓室内设置有电极填料(18)。
6.根据权利要求1所述的并联呼吸型双板仓固体碳燃料电池堆，其特征在于：所述呼气支气管与燃料输送装置之间的阳极进气管上设置阳极控制阀(21)；所述与阴极进气管连接的呼气支气管上设置阴极控制阀(22)。
7.根据权利要求1所述的并联呼吸型双板仓固体碳燃料电池堆，其特征在于：所述电池单元为2-600组。
8.根据权利要求1所述的并联呼吸型双板仓固体碳燃料电池堆的发电方法：其特征在于：在每组电池单元内保持电解液仓中熔融KOH和/或NaOH温度为400-650℃的条件下，向阳极板仓中送入碳燃料，同时向阴极板仓中送入含有氧气和/或空气和H2O的混合气体，在阳极板仓和阴极板仓中发生燃料电池反应；开启呼吸装置，阳极板仓中产生的和剩余的气体通过排气管道进入呼吸装置，呼吸装置增压后将气体送入阳极板仓和阴极板仓，然后向阳极板仓通入碳燃料，阴极板仓通入氧气和/或空气，阳极板仓和/或阴极板仓通入H2O，在阳极板仓和阴极板仓中发生燃料电池反应，阳极板仓排出气体循环呼吸利用，与外电路形成持续的电流环路。
9.根据权利要求8所述的并联呼吸型双板仓固体碳燃料电池堆的发电方法：其特征在于：包括以下具体步骤：
(1)预处理
向每组电池单元的电解液仓内加入电解液KOH和/或NaOH的原料，加热电解液原料形成熔融的KOH和/或NaOH，并维持该电解液温度为400-650℃，使该电解液浸入阴极进气管和阳极进气管，且未浸入阳极排气管和阴极排气管；
(2)电池单元内启动反应
在每组电池单元中，通过气体输送装置向阴极板仓送入含有氧气或/和空气和H2O的混合气体，利用载气通过燃料输送装置向阳极进气管送入碳燃料，所述载气为CO2、N2、H2O、Ar、He的一种或几种气体，在阴极板仓内，氧气和H2O反应生成OH-，获得电子，OH-扩散到电解液中，进入阳极板仓，OH-与碳燃料反应生成CO2和H2O，副反应生成CO，失去电子，电子通过阳极集流板到外电路，再经阴极集流板完成电流环路；
(3)气体呼吸循环
继续向阴极进气管中送入氧气或/和空气，继续向阳极进气管中送入碳燃料，同时向阴极进气管和/或阳极进气管中送入H2O，开启呼吸装置、阳极控制阀和阴极控制阀，设置呼吸装置呼气时，阳极控制阀和阴极控制阀打开，设置呼吸装置吸气时，阳极控制阀和阴极控制阀闭合，停止送入载气，阳极板仓中反应后的气体CO2、CO、H2O和剩余的气体随吸气支管道及吸气主管道进入呼吸装置，该气体又被呼吸装置通过呼气主管道和呼气支管道送入阳极进气管和阴极进气管，送入阳极进气管的气体作为载气输送碳燃料和H2O或碳燃料进入阳极板仓；送入阴极进气管的气体中，H2O在阴极板仓参与反应，CO与通过气体输送装置(20)进入阴极板仓的氧气反应生成CO2，CO2及其他剩余的气体经阴极出气管排出；气体循环呼吸，阳极板仓和阴极板仓中的反应持续进行，与外电路形成持续的电流环路。
10.根据权利要求1所述的并联呼吸型双板仓固体碳燃料电池堆的发电方法：其特征在于：在每组电池单元内保持电解液仓中熔融K2CO3和/或Na2CO3和/或Li2CO3温度为750-1000℃的条件下，向阳极板仓中送入碳燃料，同时向阴极板仓中送入含有氧气和/或空气和二氧化碳的混合气体，在阳极板仓和阴极板仓中发生燃料电池反应；开启呼吸装置，阳极板仓中产生和剩余的气体通过排气管道进入呼吸装置，呼吸装置增压后将气体送入阳极板仓和阴极板仓，然后向阳极板仓通入碳燃料，阴极板仓通入氧气和/或空气，在阳极板仓和阴极板仓中发生燃料电池反应，阳极板仓排出气体循环呼吸利用，与外电路形成持续的电流环路。
11.根据权利要求10所述的并联呼吸型双板仓固体碳燃料电池堆的发电方法：其特征在于：包括以下具体步骤：
(1)预处理
向每组电池单元的电解液仓内加入电解液K2CO3和/或Na2CO3和/或Li2CO3原料，加热电解液原料形成熔融的K2CO3和/或Na2CO3和/或Li2CO3，并维持该电解液温度为750-1000℃，使该电解液浸入阴极进气管和阳极进气管，且未浸入阳极排气管和阴极排气管；
(2)电池单元内启动反应
在每组电池单元中，通过气体输送装置向阴极板仓送入含氧气和/或空气和二氧化碳的混合气体，利用载气通过燃料输送装置向阳极进气管送入碳燃料，所述载气为CO2、N2、Ar、He的一种或几种气体，在阴极板仓内，氧气和二氧化碳反应生成CO3 2-，获得电子，CO3 2-扩散到电解液中，进入阳极板仓，CO3 2-与碳燃料反应生成CO2，副反应生成CO，失去电子，电子通过阳极集流板到外电路，再经阴极集流板完成电流环路；
(3)气体呼吸循环
停止向阴极进气管中送入二氧化碳，继续向阴极进气管中送入氧气或空气，继续向阳极进气管中送入碳燃料，开启呼吸装置、阳极控制阀和阴极控制阀，设置呼吸装置呼气时，阳极控制阀和阴极控制阀的打开，设置呼吸装置吸气时，阳极控制阀和阴极控制阀闭合，停止送入载气，阳极板仓中反应后的气体CO2、CO和剩余的气体随吸气支管道及吸气主管道进入呼吸装置，该气体又被呼吸装置通过呼气主管道和呼气支管道送入阳极进气管和阴极进气管，送入阳极进气管的气体作为载气输送碳燃料进入阳极板仓；送入阴极进气管的气体中，CO与通过气体输送装置(20)进入阴极板仓的氧气反应生成CO2，CO2及其他剩余的气体经阴极出气管排出，气体循环呼吸，阳极板仓和阴极板仓中的反应持续进行，与外电路形成持续的电流环路。
12.根据权利要求8、9、10或11任一所述的并联呼吸型双板仓固体碳燃料电池堆的发电方法，其特征在于：所述碳燃料是石墨、焦炭、炭黑、煤、活性炭、生物质炭或石油焦的一种或几种，其颗粒的粒径为10-200目。
13.根据权利要求8或9任一所述的并联呼吸型双板仓固体碳燃料电池堆的发电方法，其特征在于：所述加入到阴极板仓中的氧气和/或空气和H2O的气体中氧气和H2O的摩尔比为0.1～10:1。
14.根据权利要求10或11任一所述的并联呼吸型双板仓固体碳燃料电池堆的发电方法，其特征在于：所述向阴极板仓送入含氧气和/或空气和二氧化碳的混合气体中氧气和二氧化碳的摩尔比为0.1～10:1。
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