CN105206859B - 直接碳燃料电池的微米碳流体气相造泡装置及其造泡方法 - Google Patents

直接碳燃料电池的微米碳流体气相造泡装置及其造泡方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种直接碳燃料电池的微米碳流体气相造泡装置及其造泡方法。本发明通过流化床装置形成湍流，并在阳极进气口设置了布风板，碳与氧气反应产生的二氧化碳气体在阳极气体循环装置和布风板的作用下，产生气泡，碳颗粒高密度聚集在气泡的表面，增加局部碳浓度，气泡再与阳极接触时破碎，消除层流内层，提高传质速度增加电池功率密度；并且碳燃料微米加工成碳颗粒，在流化气体作用下，形成微米流体，使得碳燃料的直接电化学反应界面从二维拓展到三维，增加气、液、固三相的反应界面和反应频度，大大提高了传质速度，提高了单位时间和空间内的功率密度；电解质采用三种溶液的复配溶液，优化电解质的物理性能，降低电解质的湍流流速。

Description

直接碳燃料电池的微米碳流体气相造泡装置及其造泡方法
技术领域
本发明涉及直接碳燃料电池制备领域，具体涉及一种直接碳燃料电池的微米碳流体气相造泡装置及其造泡方法。
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。
通过开发出发电效率高、设备易放大、运行稳定和维护简单的直接碳燃料电池DCFC，能够提升煤炭的能源价值，包括提高发电效率，低热值煤的低成本发电和清洁环保发电，最终发展出基于DCFC的高效、清洁和空间节约的新型能源技术，具有重大的战略意义。
碳燃料电池的综合性能取决于反应装置输出的功率密度和电流密度，而功率密度又由传热效率和碳的直接电化学反应过程所决定，传统的碳燃料电池反应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(颗粒相和电解质相)，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。
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，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。
燃料电池能源系统内部的关键在于电化学反应的进行。电化学反应的速度决定电源的功率输出。电化学反应是个表面过程，反应物之间在电极表面的有效充分接触是反应进行的保证。在DCFC中，阳极反应是个三相“固-液-固”过程，固体燃料-电解质-电极直接的接程度控制了反应的速率。上述文献中的流化床反应器普遍存在无法有效平衡固相停留时间与反应速率，层流层内层过多，无法高效提升传质速度。
发明内容
针对以上现有技术中存在的问题，本发明提供一种直接碳燃料电池的微米碳流体气相造泡装置及其造泡方法，在流化床装置中减小燃料颗粒，并进行气相造泡，能够更大程度地提高三相反应界面，提升传质速度。
本发明的一个目的在于提供一种直接碳燃料电池的微米碳流体气相造泡装置。
本发明的直接碳燃料电池的微米碳流体气相造泡装置包括：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、电解质、碳燃料和布风板；其中，在反应装置内盛放电解质；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，阳极集流板和阴极集流板分别连接至电流表；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；在阳极板仓内放置的碳燃料为碳颗粒；在阳极进气口处设置布风板；碳与氧气反应产生的二氧化碳气体在阳极气体循环装置和布风板的作用下，产生气泡，气泡的表面张力引起碳颗粒聚集在气泡的表面。
固体的碳燃料作为阳极，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电解质的工作温度在500℃～650℃之间，通过布风板向阳极进气口通入阳极流化气体，使得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；碳与氧气反应产生的二氧化碳气体在阳极气体循环装置和布风板的作用下，产生气泡，气泡的表面张力引起碳颗粒高浓度分布在气泡的表面，阳极流化气体作用下碳颗粒形成微米流体，附着在二氧化碳气泡表面，并且在电解质中不断地流动，当与阳极接触时，气泡破碎，碳颗粒与阳极反应。
布风板包括：气体入口、分布板和布风管道，其中，分布板的两个表面分别安装气体入口和布风管道，阳极流化气体从气体入口进入，经分布板后，从布风管道流出；分布板为具有开孔阵列的平板；总体设计为具有直孔式均匀多孔分布板的布风板，采用板厚为6～12mm的碳钢整体塑形而成，具有流化性好、阻力适中等特点。
碳燃料被加工成400～650目的碳颗粒，即每个碳颗粒的直径在21～38um之间。
电解质采用NaOH、KOH和NaCO3的复配方溶液，或者NaOH、KOH和K2CO3的复配方溶液，通过在NaOH为主的电解质添加KOH、Na2CO3或K2CO3材料，改变电解质的组成，优化电解质的物理性能，降低电解质湍流流速，节约能源提高发电效率；增加电解质活性，提高电池功率密度。复配方溶液中NaOH、KOH和NaCO3的摩尔比例分别为40～50％、20～30％和20～40％，NaOH、KOH和K2CO3的摩尔比例分别为40～50％、20～30％和20～40％。
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。
阴极采用镍镧复合材料阴极，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。
本发明的另一个目的在于提供一种直接碳燃料电池的微米碳流体气相造泡方法。
本发明的直接碳燃料电池的微米碳流体气相造泡方法，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，将碳燃料微米流体加工成碳颗粒，放置在阳极板仓内；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，使反应装置内的电解质保持在500℃～650℃之间的工作温度；
3)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，同时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，碳颗粒在阳极流化气体的作用下形成微米流体；
4)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以及电解质三者的气液固三相反应；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、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，同时，碳与氧气反应产生的二氧化碳气体在阳极气体循环装置和布风板的作用下，产生气泡，气泡的表面张力引起碳颗粒聚集在气泡的表面，碳颗粒会形成微米流体，附着在二氧化碳的气泡表面，并在电解质中不断地流动；
5)在阴极板仓里，氧气和水在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电解质中，然后进入到阳极板仓，表面附着有碳颗粒的在气泡在电解质中不断地流动，当与阳极接触时，气泡破碎，碳颗粒与阳极反应，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，碳燃料被加工成400～650目的碳颗粒，即每个碳颗粒的直径在21～38um之间；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、电解质的种类以及反应的具体温度，进行动态变化和调节。利用气体循环装置产生湍流，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为流化床阳极管道的直径，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。
本发明通过流化床装置形成湍流，并在阳极进气口设置了布风板，碳与氧气反应产生的二氧化碳气体在阳极气体循环装置和布风板的作用下，产生气泡，碳颗粒高密度聚集在气泡的表面；并且对碳燃料进行了微米流体加工，使得碳燃料的直接电化学反应界面从二维拓展到三维，增加气、液、固三相的反应界面和反应频度，大大提高了传质速度，提高了单位时间和空间内的功率密度。
本发明的优点：
1、本发明采用CO2气相造泡，在气泡的表面形成碳颗粒高密度聚集，增加局部碳浓度，气泡再与阳极接触时破碎，消除层流内层，提高传质速度增加电池功率密度；
2、碳燃料微米加工成碳颗粒，在流化气体作用下，形成微米流体；
3、电解质采用NaOH、KOH和Na2CO3的复配溶液，三种溶液的配比使用，优化电解质的物理性能，降低电解质的湍流流速。
附图说明
图1为本发明的直接碳燃料电池的微米碳流体气相造泡装置的示意图；
图2为本发明的直接碳燃料电池的微米碳流体气相造泡装置的布风板的示意图；
图3为本发明的直接碳燃料电池的微米碳流体气相造泡装置的布风板的分布板的剖面图。
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，本实施例的直接碳燃料电池的微米碳流体气相造泡装置包括：反应装置1、阳极板仓2、阴极板仓3、阳极集流板4、阴极集流板5、微孔隔板6、流化床阳极管道7、流化床阴极管道8、阳极气体循环装置9、阴极气体循环装置10、电解质11、碳颗粒12和布风板13；其中，在反应装置1内充满电解质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；阳极和阴极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，阳极集流板4和阴极集流板5分别连接电流表A；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7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9；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8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10；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内放置碳颗粒12；在阳极进气口处设置布风板13；碳与氧气反应产生的二氧化碳气体在阳极气体循环装置9和布风板13的作用下，产生气泡14，气泡14的表面张力引起碳颗粒12高浓度分布在气泡的表面。
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％。电解质采用NaOH、KOH和Na2CO3的复配方溶液。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，布风板包括：气体入口A、分布板B和布风管道C，其中，分布板B的两个表面分别安装气体入口A和布风管道C，阳极流化气体从气体入口进入，经分布板后，从布风管道流出。
如图3所示，分布板为具有开孔阵列的平板。
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 (3)

1.一种直接碳燃料电池的微米碳流体气相造泡方法，其特征在于，所述造泡方法，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，将碳燃料微米流体加工成碳颗粒，放置在阳极板仓内；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，使反应装置内的电解质保持在500℃～650℃之间的工作温度；
3)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，同时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，碳颗粒在阳极流化气体的作用下形成微米流体；
4)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以及电解质三者的气液固三相反应；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、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，同时，碳与氧气反应产生的二氧化碳气体在阳极气体循环装置和布风板的作用下，产生气泡，气泡的表面张力引起碳颗粒聚集在气泡的表面，碳颗粒形成微米流体，附着在二氧化碳的气泡表面，并在电解质中不断地流动；
5)在阴极板仓里，氧气和水在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电解质中，然后进入到阳极板仓，表面附着有碳颗粒的气泡在电解质中不断地流动，当与阳极接触时，气泡破碎，碳颗粒与阳极反应，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。
2.如权利要求1所述的造泡方法，其特征在于，在步骤1)中，碳燃料被加工成400～650目的碳颗粒，即每个碳颗粒的直径在21～38um之间。
3.如权利要求1所述的造泡方法，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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