CN105206858B - 一种流化床电极碳燃料电池装置及其控制方法 - Google Patents

一种流化床电极碳燃料电池装置及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种流化床电极碳燃料电池装置及其控制方法。本发明采用阳极进气口、阳极出气口、流化床阳极管道和阳极气体循环装置构成阳极流化床装置；阴极进气口、阴极出气口、流化床阴极管道和阴极气体循环装置构成阴极流化床装置；流化床装置增大了阳极和阴极的电化学反应界面，提高了气液固三相的反应频度，增强了电极的传热和传质，提高了碳燃料电池的综合性能；阴极采用镍镧复合材料，并且加工成多维立体形状，可以有效提高单位空间内的电化学反应；熔融碱电解质采用LiOH、KOH和NaOH的混合配比溶液，能够从更大程度上增强提高电化学反应的速率和效率，并且降低了碳燃料电池的反应温度，抑制或避免了布杜阿尔反应的发生。

Description

一种流化床电极碳燃料电池装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及直接碳燃料电池制备领域，具体涉及一种流化床电极碳燃料电池装置及其控制方法。
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为热能，然后再转变为机械能和电能，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和SO2的排放量较少，CO2的排放量可减少40％-60％，噪声低；可以进行模块化设计；变负荷率高；既可以分散供电亦可以集中供电；占地面积小。因此，燃料电池称为水电、火电和核电后的第四代发电装置。
本世纪初，以Cooper领导的美国Lawrence国家实验室(Lawrence Livermore NationalLaboratory)开发了熔融碳酸盐的燃料电池。该电池采用高温(800℃)的熔融碳酸盐作为熔融碱电解质，固体炭作为燃料，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为领导的研发组在美国ZARA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熔融碱电解质中，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。
清华大学在专利200810119204.1中提出了一种直接碳燃料电池DCFC反应装置，该反应装置包括固定部件、水冷部件、阴极气体供给部件、阳极气体供给部件、碳燃料安置部件、集流部件、密封部件、测控温部件和反应腔体部件。该装置可实现对直接碳燃料电池的密封、电流集流、阴阳极气体供给、测温控温、固体碳燃料供给、阳极加水及分段加热等功能，同时为外部气路、电池电化学性能测试、反应气体检测留下接口，以满足直接碳燃料电池反应条件需求。
但上述文献中提到的碳燃料电池装置采用的均是传统的固定床反应器，其结构形式简单，流动影响因素少，便于控制碳反应过程的速率，但是不利于提高传热效率和碳的直接电化学反应过程。通过在DCFC中的阳极和阴极采用传热、传质效果好的流化床反应器，不仅可以保证流化床DCFC的优点，而且可以将碳的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。
日本东京大学Y.MatSuno针对MCFC中电极面积相对较小、气体传输效率较低及结构复杂等缺点，使用流化床电极代替MCFC中多孔气体扩散电极，设计出流化床电极燃料电池阳极，阳极半电池主要由陶瓷管、镍电极颗粒、集流器、对电极、参比电极、布风板构成。Y.Matsuno在此装置上研究了反应温度、燃料成分、气体流速、集流器面积等对半电池的极化性能的影响，发现：提高反应温度可以增加电流密度；燃料中氢气含量越高，半电池电流密度越大；实验范围内，半电池的极限电流密度随气速的增大而增加，然而气速的增大会增加电池的内阻(颗粒相和电解液相)，从而增加了欧姆极化。
Gur将流化床电极与固体氧化物DCFC相结合，形成了流化床电极直接碳燃料电池，电池采用He作为介质来实现碳颗粒的流态化，以促进其与阳极集流器接触，从而降低了电池的浓差极化。并对不同规模该类型电池的进行了测试，小型装置的输出功率密度很低，尚不足2mW/cm2。
东南大学仲兆平在专利200510041047.3中提出了一种流化床电极直接炭燃料电池方法及转化装置，提出将阴极和阳极用微孔金属隔板分隔并形成三相流化床，以碳酸盐为熔融碱电解质，以镍粉或镍铬合金为催化剂，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，底部通流化气体，发明提高了电流密度。该发明第一流化气体未形成气体循环，造成了浪费，第二是阴极流化气体为二氧化碳和空气的混合气体，在高温时，炭与CO2反应生成CO，且CO的比例成分可达85％以上，消耗的炭无法产生电子。
清华大学史翊翔在专利201110217478.6中提出了一种流化床电极直接碳燃料电池装置，该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，使得碳的直接化学反应从二维拓展为三维，促进碳的气化反应，从而提高电池性能，进一步增强了电极内的传热和传质。该发明基于固体氧化物碳燃料电池，熔融碱电解质采用了熔融碳酸盐，电子传导率会受到温度的制约，其次是阴极混合气体中CO2的掺入也会引起Boudouard反应。
为了提高电池的工作效率，提高离子/电子传导率，进一步提高碳的直接电化学反应，迫切需要设计多维反应界面、功率密度高、反应温度低的直接碳燃料电池装置，推进相关技术的进步和应用。
发明内容
针对以上现有技术中存在的问题，本发明提供一种能够提供多维反应截面、功率密度高和反应温度低的直接碳燃料电池装置及其控制方法。
本发明的一个目的在于提供一种流化床电极碳燃料电池装置。
本发明的流化床电极碳燃料电池装置包括：反应装置、阳极板仓、阴极板仓、阳极、阴极、阳极集流板、阴极集流板、微孔隔板、流化床阳极管道、流化床阴极管道、阳极气体循环装置、阴极气体循环装置、熔融碱电解质和碳燃料；其中，在反应装置内盛放熔融碱电解质；筒状的阳极板仓和阴极板仓分别设置在反应装置的底部；阳极和阴极分别放置在阳极板仓和阴极板仓内；具有孔洞的阳极集流板和阴极集流板分别从反应装置的顶部穿入并伸入到阳极板仓和阴极板仓中；在阳极板仓和阴极板仓之间设置微孔隔板；在反应装置的底部并位于阳极板仓内设置阳极进气口，在反应装置的顶部并与阳极进气口相对的位置设置阳极出气口，流化床阳极管道的两端分别连接阳极进气口和阳极出气口；在流化床阳极管道上设置阳极气体循环装置；阳极进气口、阳极出气口、流化床阳极管道和阳极气体循环装置构成阳极流化床装置，阳极流化床装置中通有阳极流化气体；在反应装置的底部并位于阴极板仓内设置阴极进气口，在反应装置的顶部并与阴极进气口相对的位置设置阴极出气口，流化床阴极管道的两端分别连接阴极进气口和阴极出气口；在流化床阴极管道上设置阴极气体循环装置；阴极进气口、阴极出气口、流化床阴极管道和阴极气体循环装置构成阴极流化床装置，阴极流化床装置中通有阴极流化气体；在阳极板仓内放置碳燃料。
熔融碱电解质采用LiOH、KOH和NaOH中的两种或三种的组合的混合配比溶液。熔融碱电解质对燃料电池的反应温度要求比熔融碳酸盐熔融碱电解质的反应温度要低，这样可以有效的避免高温下(800℃以上)的Boudouard反应，即避免炭和二氧化碳在高温下发生化学反应产生一氧化碳气体。具体的熔融碱电解质实施方案根据实施案例具体设定配比，包括四种：(1)LiOH和KOH混合配比溶液，其中，LiOH为10～15％，KOH为85～90％；(2)LiOH和NaOH混合配比溶液，其中，LiOH为10～15％，NaOH为85～90％；(3)NaOH和KOH混合配比溶液，其中，NaOH为50～70％，KOH为30～50％；(4)LiOH、KOH和NaOH混合配比溶液，其中，LiOH为10～15％，KOH为40～55％，NaOH为30～50％。
阴极采用镍镧复合材料，包括两种材料，第一种材料为镍，第二种材料为镧系金属或氧化镧La2O3；镧系金属采用镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱和镥中的一种；其中，第一种材料镍的摩尔百分含量占85～93％，第二种材料的摩尔百分含量占7～15％。阴极中镧提高了阴极的氧吸附离解能力和还原催化活性，并提高了阴极氧离子的电导率，增加了电极反应三相界面。在阴极中添加高氧离子电导的La可使阴极在高温下成为电子-离子混合导体；另外，阴极中的La有助于增大Ni阴极表面氧化膜的电子电导率，使阴极表面电阻降低，从而使得DCFC输出性能提高。Ni阴极表面会在熔融碱及熔融碳酸盐电解质中氧化为电导率很低的p型半导体NiO。
阴极为非平面状的多维立体形状，阴极的剖面曲线为三角波形、锯齿波形、正旋波形、矩形波形和瓦楞状中的一种，这种多维立体形状，增加了空间利用率。
阳极气体循环装置或阴极气体循环装置采用自吸式气液反应器，不用额外的气体输送机械而能自行吸入反应器上部空间气体进行气液接触，通过空心涡轮搅拌器在料液混合的同时不断吸入液面上的反应气体，达到气液循环与分散目的。
阳极流化床装置中通有阳极流化气体，阳极流化气体采用掺杂碳燃料的CO2、N2、H2O和惰性气体中的一种或多种，其中惰性气体为氦、氖、氩、氪和氙中的一种或多种。阴极流化床装置中通有阴极流化气体，阴极流化气体为氧气和水汽的混合气体，或者空气和水汽的混合气体。
微孔隔板采用镍或镍铬合金。
碳燃料采用石墨、炭黑、焦炭和煤中的一种或多种。
本发明的另一个目的在于提供一种流化床电极碳燃料电池装置的控制方法。
本发明的流化床电极碳燃料电池装置的控制方法，包括以下步骤：
1)将流化床阳极管道的两端分别连接位于反应装置底部的阳极进气口和位于反应装置的顶部阳极出气口，在流化床阳极管道上设置阳极气体循环装置，构成阳极流化床装置，并通有阳极流化气体；将流化床阴极管道的两端分别连接位于反应装置的底部的阴极进气口和位于反应装置的顶部阴极出气口，在流化床阴极管道上设置阴极气体循环装置，构成阴极流化床装置，并通有阴极流化气体；
2)对反应装置进行加热，使反应装置内的熔融碱电解质保持在500℃～800℃之间的工作温度；
3)通过阳极气体循环装置控制阳极流化气体进入阳极板仓的流速，使得阳极流化气体在阳极板仓内湍流流动，同时通过阴极气体循环装置控制阴极流化气体进入阴极板仓的速度，使得阴极流化气体在阴极板仓内湍流流动；
4)阳极板仓内的阳极流化气体的湍流流动，流体质点作不规则地运动而互相碰撞，流体质点剧烈地扰动而产生旋涡，使得阳极流化气体、熔融碱电解质与碳燃料气液固三相之间的充分接触，从而实现气液固三相反应；阴极板仓内，阴极流化气体的湍流流动，产生漩涡，从而实现阴极、O2以及熔融碱电解质三者的气液固三相反应；
5)在阴极板仓里，氧气和水在熔融碱电解质和阴极催化的作用下反应生成了OH-离子，同时从阴极集流板上接受电子，OH-离子由阴极板仓扩散到反应装置的熔融碱电解液中，然后进入到阳极板仓，OH-离子与碳反应生成CO2和水，同时释放电子到阳极集流板，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，从而发电。
其中，在步骤1)中，阳极流化气体为掺杂碳燃料的CO2、N2、H2O和惰性气体中的一种或多种，其中惰性气体为氦、氖、氩、氪和氙中的一种或多种；阴极流化气体为氧气和水汽的混合气体，或者空气和水汽的混合气体。
在步骤3)中，阳极气体循环装置控制阳极流化气体进入阳极板仓的流速，控制流速范围在3.5m/s～6.8m/s之间，具体的参数设定根据反应装置的尺寸、熔融碱电解质的种类以及反应的具体温度，进行动态变化和调节。利用空气循环装置产生湍流，当雷诺准数Re大于4000时流体的流动类型就属于湍流，Re＝dwp/u，其中，d为的直径，w为流速，p为流体密度，u为流体的粘度。在流化床阳极管道的直径固定，电解质溶液固定的情况下，通过调控阳极气体循环装置的进气速度，使得流体在反应装置内湍流流动。
本发明基于以下原理进行实现能量转化：
以熔融碱电解质作为电解液，固体碳燃料作为阳极，发生氧化反应，释放电子；氧气在阴极发生还原反应，获得电子；电子从阳极到阴极的转移为外界提供电能，二氧化碳作为唯一的反应产物释放出来。化学反应式如下：
阳极反应：C+4OH-＝CO2+2H2O+4e-
阴极反应：O2+2H2O+4e-＝4OH-
总反应式：C+O2＝CO2
流化床装置是采用了流化气体的循环装置，在工作时，采用外部加热的方式保持熔融碱电解质的工作温度在500℃～800℃之间，通过流化床阳极管道从阳极进气口通入阳极流化气体，使阳极板仓中的碳燃料处于流化状态，阳极流化气体通过阳极出气口排出，经过阳极气体循环装置之后再次注入阳极进气口；向阴极进气口通入阴极流化气体，阴极流化气体通过阳极出气口排出，通过流化床阴极管道经阴极气体循环装置之后再次注入阴极进气口。
本发明的通过在传统的碳燃料电池装置上加入了流化床装置，采用自吸式气液反应器，使得碳燃料的直接电化学反应界面从二维拓展到三维，并能促进碳的气化反应，从而提高电池性能，阴极流化床装置的设置能够促进氧气、熔融碱电解质和阴极复合材料的充分混合，增加气、液、固三相的反应界面和反应频度，提高了单位时间和空间内的功率密度。同时，阴极还能进一步增强电极内的传热和传质，提高直接碳燃料电池的综合性能。
本发明的优点：
1、流化床装置增大了阳极和阴极的电化学反应界面，提高了气液固三相的反应频度，增强了电极的传热和传质，提高了碳燃料电池的综合性能；
2、阴极采用镍镧复合材料，并且加工成多维立体形状，可以有效提高单位空间内的电化学反应；
3、熔融碱电解质采用LiOH、KOH和NaOH的混合配比溶液，能够从更大程度上增强提高电化学反应的速率和效率，并且降低了碳燃料电池的反应温度，抑制或避免了布杜阿尔Boudouard反应的发生。
附图说明
图1为本发明的流化床电极碳燃料电池装置的示意图；
图2为本发明的流化床电极碳燃料电池装置的阴极的剖面曲线的示意图，其中，(a)为三角波形，(b)为锯齿波形，(c)为正旋波形，(d)为矩形波形；
图3为本发明的流化床电极碳燃料电池装置的控制方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。
如图1所示，本实施例的流化床电极碳燃料电池装置包括：反应装置1、阳极板仓2、阴极板仓3、阳极7、阴极8、阳极集流板4、阴极集流板5、微孔隔板6、流化床阳极管道9、流化床阴极管道10、阳极气体循环装置11、阴极气体循环装置12、熔融碱电解质13和碳燃料14；其中，在反应装置1内充满熔融碱电解质13；筒状的阳极板仓2和阴极板仓3分别设置在反应装置1的底部；阳极7和阴极8分别放置在阳极板仓2和阴极板仓3内；在阳极板仓和阴极板仓上分别设置具有孔洞的阳极集流板4和阴极集流板5；在阳极板仓和阴极板仓之间设置微孔隔板6；在反应装置的底部并位于阳极板仓内设置阳极进气口，在反应装置的顶部并与阳极进气口相对的位置设置阳极出气口，流化床阳极管道9的两端分别连接阳极进气口和阳极出气口；在流化床阳极管道上设置阳极气体循环装置11；阳极进气口、阳极出气口、流化床阳极管道和阳极气体循环装置构成阳极流化床装置，阳极流化床装置中通有阳极流化气体；在反应装置的底部并位于阴极板仓内设置阴极进气口，在反应装置的顶部并与阴极进气口相对的位置设置阴极出气口，流化床阴极管道10的两端分别连接阴极进气口和阴极出气口；在流化床阴极管道上设置阴极气体循环装置12；阴极进气口、阴极出气口、流化床阴极管道和阴极气体循环装置构成阴极流化床装置，阴极流化床装置中通有阴极流化气体；在阳极板仓2内放置碳燃料14。阳极集流板4和阴极集流板5分别连接电流表A。
在本实施例中，阴极采用镍镧复合材料，其中，镍的摩尔百分含量占90％，镧的摩尔百分含量10％。熔融碱电解质采用LiOH、KOH和NaOH三种的混合配比溶液，其中，LiOH为10％、KOH为50％、NaOH为40％。阳极流化气体为掺杂碳燃料的CO2；阴极流化气体为氧气和水汽的混合气体。
如图2所示，阴极为非平面状的多维立体形状，阴极的剖面曲线为三角波形、锯齿波形、正旋波形、矩形波形和瓦楞状中的一种。
如图3所示，本实施例的流化床电极碳燃料电池装置的控制方法，包括以下步骤：
1)将流化床阳极管道的两端分别连接位于反应装置底部的阳极进气口和位于反应装置的顶部阳极出气口，在流化床阳极管道上设置阳极气体循环装置，构成阳极流化床装置，并通有阳极流化气体；将流化床阴极管道的两端分别连接位于反应装置的底部的阴极进气口和位于反应装置的顶部阴极出气口，在流化床阴极管道上设置阴极气体循环装置，构成阴极流化床装置，并通有阴极流化气体；
2)对反应装置进行加热，使反应装置内的熔融碱电解质保持在500℃～800℃之间的工作温度；
3)通过阳极气体循环装置控制阳极流化气体进入阳极板仓的流速，控制流速范围在3.5m/s～6.8m/s之间，使得阳极流化气体在阳极板仓内湍流流动，同时通过阴极气体循环装置控制阴极流化气体进入阴极板仓的速度，使得阴极流化气体在阴极板仓内湍流流动；
6)阳极板仓内的阳极流化气体的湍流流动，流体质点作不规则地运动而互相碰撞，流体质点剧烈地扰动而产生旋涡，从而实现阳极流化气体、熔融碱电解质与碳燃料气液固三相之间的充分接触，大大增加反应界面，提高传质速度；阴极板仓内，阴极流化气体的湍流流动，产生漩涡，从而实现阴极、O2以及熔融碱电解质三者的气液固反应，以提高导电性；
4)在阴极板仓里，氧气和水在熔融碱电解质和阴极催化的作用下反应生成了OH-离子，同时从阴极集流板上接受电子，OH-离子由阴极板仓扩散到反应装置的熔融碱电解液中，然后进入到阳极板仓，OH-离子与碳反应生成CO2和水，同时释放电子到阳极集流板，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，从而发电。
最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种流化床电极碳燃料电池装置，其特征在于，所述电池装置包括：反应装置、阳极板仓、阴极板仓、阳极、阴极、阳极集流板、阴极集流板、微孔隔板、流化床阳极管道、流化床阴极管道、阳极气体循环装置、阴极气体循环装置、熔融碱电解质和碳燃料；其中，在反应装置内盛放熔融碱电解质；筒状的阳极板仓和阴极板仓分别设置在反应装置的底部；阳极和阴极分别放置在阳极板仓和阴极板仓内；具有孔洞的阳极集流板和阴极集流板分别从反应装置的顶部穿入并伸入到阳极板仓和阴极板仓中；在阳极板仓和阴极板仓之间设置微孔隔板；在反应装置的底部并位于阳极板仓内设置阳极进气口，在反应装置的顶部并与阳极进气口相对的位置设置阳极出气口，流化床阳极管道的两端分别连接阳极进气口和阳极出气口；在流化床阳极管道上设置阳极气体循环装置；阳极进气口、阳极出气口、流化床阳极管道和阳极气体循环装置构成阳极流化床装置，阳极流化床装置中通有阳极流化气体；在反应装置的底部并位于阴极板仓内设置阴极进气口，在反应装置的顶部并与阴极进气口相对的位置设置阴极出气口，流化床阴极管道的两端分别连接阴极进气口和阴极出气口；在流化床阴极管道上设置阴极气体循环装置；阴极进气口、阴极出气口、流化床阴极管道和阴极气体循环装置构成阴极流化床装置，阴极流化床装置中通有阴极流化气体；在阳极板仓内放置碳燃料。
2.如权利要求1所述的电池装置，其特征在于，所述熔融碱电解质采用LiOH、KOH和NaOH中的两种或三种的组合的混合配比溶液。
3.如权利要求2所述的电池装置，其特征在于，所述熔融碱电解质的配比包括四种：(1)LiOH和KOH混合配比溶液，其中，LiOH为10～15％，KOH为85～90％；(2)LiOH和NaOH混合配比溶液，其中，LiOH为10～15％，NaOH为85～90％；(3)NaOH和KOH混合配比溶液，其中，NaOH为50～70％，KOH为30～50％；(4)LiOH、KOH和NaOH混合配比溶液，其中，LiOH为10～15％，KOH为40～55％，NaOH为30～50％。
4.如权利要求1所述的电池装置，其特征在于，所述阴极采用镍镧复合材料，包括两种材料，第一种材料为镍，第二种材料为镧系金属或氧化镧La2O3；镧系金属采用镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱和镥中的一种。
5.如权利要求4所述的电池装置，其特征在于，所述第一种材料的摩尔百分含量占85～93％，第二种材料的摩尔百分含量占7～15％。
6.如权利要求1所述的电池装置，其特征在于，所述阴极为非平面状的多维立体形状，阴极的剖面曲线为三角波形、锯齿波形、正旋波形、矩形波形和瓦楞状中的一种。
7.如权利要求1所述的电池装置，其特征在于，所述阳极气体循环装置或阴极气体循环装置采用自吸式气液反应器。
8.如权利要求1所述的电池装置，其特征在于，所述阳极流化气体采用掺杂碳燃料的CO2、N2、H2O和惰性气体中的一种或多种，其中惰性气体为氦、氖、氩、氪和氙中的一种或多种；阴极流化气体为氧气和水汽的混合气体，或者空气和水汽的混合气体。
9.一种流化床电极碳燃料电池装置的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：
1)将流化床阳极管道的两端分别连接位于反应装置底部的阳极进气口和位于反应装置的顶部阳极出气口，在流化床阳极管道上设置阳极气体循环装置，构成阳极流化床装置，并通有阳极流化气体；将流化床阴极管道的两端分别连接位于反应装置的底部的阴极进气口和位于反应装置的顶部阴极出气口，在流化床阴极管道上设置阴极气体循环装置，构成阴极流化床装置，并通有阴极流化气体；
2)对反应装置进行加热，使反应装置内的熔融碱电解质保持在500℃～800℃之间的工作温度；
3)通过阳极气体循环装置控制阳极流化气体进入阳极板仓的流速，使得阳极流化气体在阳极板仓内湍流流动，同时通过阴极气体循环装置控制阴极流化气体进入阴极板仓的速度，使得阴极流化气体在阴极板仓内湍流流动；
4)阳极板仓内的阳极流化气体的湍流流动，流体质点作不规则地运动而互相碰撞，流体质点剧烈地扰动而产生旋涡，使得阳极流化气体、熔融碱电解质与碳燃料气液固三相之间的充分接触，从而实现气液固三相反应；阴极板仓内，阴极流化气体的湍流流动，产生漩涡，从而实现阴极、O2以及熔融碱电解质三者的气液固三相反应；
5)在阴极板仓里，氧气和水在熔融碱电解质和阴极催化的作用下反应生成了OH-离子，同时从阴极集流板上接受电子，OH-离子由阴极板仓扩散到反应装置的熔融碱电解液中，然后进入到阳极板仓，OH-离子与碳反应生成CO2和水，同时释放电子到阳极集流板，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，从而发电。
10.如权利要求9所述的控制方法，其特征在于，在步骤3)中，阳极气体循环装置控制阳极流化气体进入阳极板仓的流速，控制流速范围在3.5m/s～6.8m/s之间。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN109516557B (zh) * 2018-11-16 2021-09-21 浙江工商大学 一种大面积电极微生物双流化床反应器及废水处理方法
CN111082097B (zh) * 2019-11-19 2023-03-07 曾庆福 一种燃料电池系统
CN113178605B (zh) * 2021-03-17 2023-08-01 东南大学 一种流化床阳极固体氧化物燃料电池
CN113346092B (zh) * 2021-04-28 2023-12-08 东南大学 一种流化床电极固体氧化物燃料电池装置
CN113578000B (zh) * 2021-07-21 2022-06-17 东南大学 使用燃料电池处理氧化亚氮尾气的方法及装置
CN113793963B (zh) * 2021-08-06 2023-08-01 东南大学 一种流化床催化电极氨直接燃料电池系统

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN204966602U (zh) * 2015-09-14 2016-01-13 山西宇翔信息技术有限公司 一种流化床电极碳燃料电池装置

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN100347891C (zh) * 2005-07-15 2007-11-07 东南大学 流化床电极直接炭转化燃料电池方法及转化装置
CN100392894C (zh) * 2005-11-09 2008-06-04 中国科学院过程工程研究所 直接碳燃料电池阴极材料及其制备方法
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
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

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN204966602U (zh) * 2015-09-14 2016-01-13 山西宇翔信息技术有限公司 一种流化床电极碳燃料电池装置

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