CN112652793B - 发电装置和发电方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了发电装置和发电方法，该装置包括阳极反应罐；液流式燃料电池，所述液流式燃料电池包括由电解质隔膜分隔的阳极放电室和阴极放电室，所述阳极放电室的反应液入口与所述阳极反应罐的反应液第一出口相连；阴极反应罐，所述阴极反应罐的反应液出口与所述阴极放电室的反应液入口相连。本发明可在温和条件下实现污染空气的净化和污染物的直接电能转化相偶联，具有污染处理和能源生产的双重效益。

Description

发电装置和发电方法
技术领域
本发明涉及环境保护、污染治理和能源领域，具体而言，本发明涉及发电装置和发电方法。
背景技术
近年来，随着工业化和城市化进程的不断深入，以PM10和PM2.5为代表的可吸入颗粒物的排放量日益增多，雾霾天气不断出现，造成了严重的环境污染问题，并对人体健康产生了不可逆的损伤。雾霾污染产生机制复杂，成霾前体多样。燃煤发电、燃煤采暖和金属冶炼等工业生产活动中排放的尾气含有大量的烟尘微粒，含尘尾气的大量排放无疑是造成雾霾的重要诱因之一。雾霾污染的治理需要从源头入手，即减少可吸入颗粒物前体的排放量是减轻雾霾污染的关键所在。因此，为了保护环境并降低大气污染，含尘尾气需经净化并达到相关国家标准后才能排放。以燃煤电厂为例，依据国标《火电厂大气污染物排放标准》，重点地区火电厂燃煤机组烟尘排放限值为20mg/Nm2。目前燃煤电厂常用的尾气除尘技术为静电除尘技术和袋式除尘技术。在未来，有理由预测国家对含尘尾气的排放要求将更加严格，为了满足日趋严格的环保要求，除尘装置运行能耗和安装成本将日益增加。
Huang等研究发现从中国北京、上海、广州和西安四个城市收集的雾霾污染中有机物是主要的组成成分，占PM 2.5 颗粒物质总质量的30-50%，其次是硫酸盐(8-18%)、硝酸盐(7-14%)、铵盐(5-10%)、元素碳(2-5%)和氯化物(2-4%)（R.-J. Huang et al., Highsecondary aerosol contribution to particulate pollution during haze events inChina. Nature 2014，514, 218-222）。Lyu等研究发现雾霾污染物中的有机物成分复杂，超过20类，包括直链和支链烷烃、烯烃、脂肪族羰基化合物、链烷酸、烷醇等（R. Lyu et al.,Insight into the composition of organic compounds (>=C-6) in PM2.5 inwintertime in Beijing, China. Atmospheric Chemistry and Physics, 2019, 19,10865-10881）。此外，工业生产过程中排放的尾气烟尘微粒中也存在有一定量的碳组分。以燃煤电厂烟尘为例，在化学组成上，经除尘段收集的电厂烟尘中存在一定质量的碳，其质量分数在1-60%不等。除碳酸盐外，尾气烟尘中的碳组分可分为有机碳和元素碳两大类。元素碳是煤、石油等化石燃料不完全燃烧而热解产生的具有类似石墨结构的单质碳。同样的，化石燃料的不完全燃烧还可产生多种有机物种，如具有致癌性的稠环芳烃化合物。除尘过程中，化石燃料不完全燃烧产生的挥发性物种容易凝结并富集在烟尘颗粒上。排放至自然环境中的烟尘废弃物中具有较大危害性的可挥发有机组分重新进入大气，成为大气中挥发性有机物的重要来源之一，并成为PM2.5细颗粒物的前体物种之一。因此，含烟尘的废气无害化处理刻不容缓，而且这些废气中的有机碳也可作为燃料加以利用，实现废弃物处理和能源化转化的双重效益。为净化雾霾空气或烟尘尾气，通常可以采用湿法洗涤或干法过滤或静电吸附等方法除去这些污染物颗粒。另一方面，这些污染物虽然含有有机物，理论上可以通过燃烧获得能量，但其品味较低，热值较低，难以采用锅炉进行燃烧产热，因此很难通过燃烧等方式获得能量。
发明内容
本申请是基于发明人对以下事实和问题的发现和认识作出的：
利用燃料电池技术有可能将烟尘中元素碳组分以及有机碳组分中储存的化学能直接转化为电能，同步实现电能回收与含尘尾气的无害化处理。但雾霾污染物为固体颗粒，且成分非常复杂，动力学上属于反应惰性，很难被已有的燃料电池技术，例如固体氧化物电池、直接碳电池、氢燃料电池等直接利用。微生物燃料电池有可能以雾霾颗粒为燃料，通过微生物的降解作用将其转化为电能，但雾霾颗粒的主要组分通常不是微生物的优良碳源，因此电能转化效率会很低。要实现燃料电池技术将雾霾污染物直接转化为电能，最关键的步骤是有效地从雾霾污染物提取出电子，并将其定向移动传递给氧气。因此，通过构建电子传递链，实现电子的提取、传递和最终转移给氧气可以实现以雾霾污染物或烟尘作为燃料而发电。
因此，本发明提供的污染物发电方法的原理如附图3所示。阳极电子载体可在温和条件下将烟尘中的碳组分氧化，自身被还原。而还原后的阳极电子载体可在液流式燃料电池的阳极放电室中释放电子并再生为氧化态并可重复用于尾气的净化。因此，在阳极反应罐中，氧化态阳极电子载体与尾气烟尘中可氧化组分即有机碳与元素碳组分反应获得电子自身被还原的过程可认为是“充电”过程。而还原态的阳极电子载体在液流式燃料电池中转移电子并氧化再生的过程为“放电”过程，通过外接负载电路构成回路后产生电流，即可实现雾霾污染物或烟尘尾气的直接电能转化过程。需要说明的是，上述雾霾污染物指的是含有含碳有机物的雾霾污染物，上述烟尘尾气指的是含有含碳有机物的烟尘尾气，且本发明中所涉及的雾霾污染物均指含有含碳有机物的雾霾污染物，本发明中所涉及的烟尘尾气均指含有含碳有机物的烟尘尾气。
为此，本发明的目的是提供一种有效促进雾霾污染物电子向空气定向转移的发电装置和发电方法，本发明可在温和条件下实现污染空气的净化和污染物的直接电能转化相偶联，具有污染处理和能源生产的双重效益。
在本发明的一个方面，本发明提出了一种发电装置。根据本发明的实施例，该发电装置包括：
阳极反应罐；
液流式燃料电池，所述液流式燃料电池包括由电解质隔膜分隔的阳极放电室和阴极放电室，所述阳极放电室的反应液入口与所述阳极反应罐的反应液第一出口相连；
阴极反应罐，所述阴极反应罐的反应液出口与所述阴极放电室的反应液入口相连。
根据本发明上述实施例的发电装置，在阳极反应罐中，阳极反应液含有的氧化态阳极电子载体与污染物中的还原性物种（通常为有机物）发生反应，自身被还原为还原态的阳极电子载体；之后阳极反应液输送至液流式燃料电池的阳极放电室中，此时还原态的阳极电子载体将电子转移至阳极处，自身被氧化为氧化态的阳极电子载体。与此同时，阴极反应罐中氧化态的阴极电子载体被泵入至阴极放电室，在阴极处接受电子而还原为还原态的阴极电子载体。利用阳极反应液中的阳极电子载体提取污染物中电子的功能，通过阳极电子载体和阴极电子载体，构建出可实现电子从污染物传递到空气或氧气的电子传递链，从而实现污染物发电的目的。该装置可在温和条件下实现污染空气的净化和污染物的直接电能转化相偶联，具有污染处理和能源生产的双重效益。
另外，根据本发明上述实施例的发电装置还可以具有如下附加的技术特征：
在本发明的一些实施例中，所述阳极放电室的反应液出口与所述阳极反应罐相连。
在本发明的一些实施例中，所述阴极放电室的反应液出口与所述阴极反应罐相连。
在本发明的一些实施例中，所述液流式燃料电池还包括阳极双极板和阴极双极板，所述阳极双极板紧贴着所述电解质隔膜的靠近所述阳极放电室的一侧设置，所述阴极双极板紧贴着所述电解质隔膜的靠近所述阴极放电室的一侧设置。
在本发明的一些实施例中，所述电解质隔膜为聚合物阴离子交换膜或者聚合物阳离子交换膜。
在本发明的一些实施例中，所述发电装置还包括：除尘器，所述除尘器与所述阳极反应罐的污染物入口相连。
在本发明的一些实施例中，所述除尘器为湿式除尘器，所述阳极反应罐的反应液体第二出口与所述湿式除尘器相连。
在本发明的一些实施例中，所述阳极放电室的反应液出口与所述湿式除尘器相连。
在本发明的一些实施例中，所述除尘器为干式除尘器。
在本发明的一些实施例中，所述发电装置还包括：液固分离过滤器，所述液固分离过滤器设置在所述阳极反应罐与所述阳极放电室的反应液入口之间。
在本发明的一些实施例中，所述发电装置还包括：阳极循环泵，所述阳极循环泵设置在所述阳极反应罐和所述阳极放电室之间且靠近所述阳极放电室处。
在本发明的一些实施例中，所述发电装置还包括：阴极循环泵，所述阴极循环泵设置在所述阴极反应罐和所述阴极放电室之间且靠近所述阴极放电室处。
在本发明的一些实施例中，所述发电装置还包括：阳极换热器，所述阳极换热器设置在所述阳极反应罐和所述阳极放电室之间。
在本发明的一些实施例中，所述发电装置还包括：阴极换热器，所述阴极换热器设置在所述阴极反应罐和所述阴极放电室之间。
在本发明的一些实施例中，所述发电装置还包括：外接负载，所述外接负载设置在所述液流式燃料电池的外部且设置在所述阳极放电室和所述阴极放电室之间。
在本发明的一些实施例中，所述阴极反应罐包括空气或者氧气入口。
在本发明的一些实施例中，所述阴极反应罐包括空气导管，所述空气导管设置在所述空气或者氧气入口处。
在本发明的另一方面，本发明提出了一种采用如以上实施例所述的发电装置进行发电的方法，包括：
（1）将污染气体进行除尘净化，以便得到污染物；
（2）将污染物或者含有污染物的液体以及含有阳极电子载体的阳极反应液加入阳极反应罐中，以便使所述阳极电子载体与所述污染物反应；
（3）将步骤（2）所得混合液泵入液流式燃料电池的阳极放电室；
（4）将含有阴极电子载体的电解质溶液从阴极反应罐泵入液流式燃料电池的阴极放电室；
（5）将液流式燃料电池的阳极和阴极分别与外部负载连接，以便获得电能。
本发明实施例所述的发电方法，该方法是基于含尘废气可以通过除尘净化以及污染物含有可氧化的物质，可通过液流式燃料电池将污染物的化学能转化为电能而实现的。利用阳极反应液中的阳极电子载体提取污染物中电子的功能，通过阳极电子载体和阴极电子载体，构建出可实现电子从污染物传递到空气或氧气的电子传递链，从而实现污染物发电的目的。该方法可在温和条件下实现污染空气的净化和污染物的直接电能转化相偶联，具有污染处理和能源生产的双重效益。
另外，根据本发明上述实施例的发电方法还可以具有如下附加的技术特征：
在本发明的一些实施例中，所述方法还包括：将所述污染气体通入湿式除尘器，并与所述湿式除尘器中的含阳极电子载体的洗涤液接触，以便获得净化气体和阳极反应液，将所述阳极反应液泵入所述阳极反应罐。
在本发明的一些实施例中，所述污染气体在所述湿式除尘器中以逆流的方式与所述洗涤液接触。
在本发明的一些实施例中，所述污染气体和所述洗涤液的体积流量比为(2000~250):1。
在本发明的一些实施例中，所述湿式除尘器的操作温度为20-40℃。
在本发明的一些实施例中，所述洗涤液中还包括无机酸或无机碱。
在本发明的一些实施例中，将所述污染气体通入干式除尘器进行过滤，将过滤得到的污染物加入所述阳极反应罐中。
在本发明的一些实施例中，所述方法还包括：对步骤（2）所得混合液进行固液分离，所得液体泵入所述阳极放电室。
在本发明的一些实施例中，所述阳极反应液为阳极电子载体的水溶液。
在本发明的一些实施例中，所述阳极电子载体选自氯化铁、硝酸铁、硫酸铁、草酸铁、乙二胺四乙酸铁钠、铁氰化钾、磷钼酸和磷钼钒酸中的至少之一。
在本发明的一些实施例中，所述阳极电子载体的浓度为0.001mol/L-2mol/L。
在本发明的一些实施例中，所述阳极反应液中还包括无机酸或无机碱。
在本发明的一些实施例中，所述无机酸或无机碱浓度为0.01-6mol/L。
在本发明的一些实施例中，所述阳极反应罐的内部温度为40-160℃。
在本发明的一些实施例中，所述污染物与所述阳极反应液的质量比为(0.001-0.8):1。
在本发明的一些实施例中，将步骤（2）所得混合液泵入所述阳极放电室的液体体积流量为0.1-100 ml/min。
在本发明的一些实施例中，所述阳极放电室的温度为50-110℃。
在本发明的一些实施例中，将所述电解质溶液从所述阴极反应罐泵入所述阴极放电室的液体体积流量为0.1-100 ml/min。
在本发明的一些实施例中，所述阴极放电室的温度为50-110℃。
在本发明的一些实施例中，所述电解质溶液为阴极电子载体的水溶液。
在本发明的一些实施例中，所述阴极电子载体选自氯化铁、硝酸铁、硝酸、五价硫酸氧钒、磷钼酸和磷钼钒酸中的至少之一。
在本发明的一些实施例中，所述阴极电子载体的浓度为0.001~4mol/L。
在本发明的一些实施例中，所述阴极反应罐的内部温度为40-160℃。
在本发明的一些实施例中，以0.1-2 vvm的体积流量向所述阴极反应罐中通入空气或氧气。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明的实施例的含雾霾污染物或烟尘尾气的湿法净化偶联发电的流程图。
图2是根据本发明的实施例的含雾霾污染物或烟尘尾气的干法净化偶联发电的流程图。
图3是根据本发明实施例的雾霾污染物或烟尘颗粒转化为电能的工作原理示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个、四个、五个、六个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本发明的一个方面，本发明提出了一种发电装置。参考图1，根据本发明的实施例，所述发电装置包括阳极反应罐2、液流式燃料电池4和阴极反应罐5。需要说明的是，本发明中所涉及的雾霾污染物均指含有含碳有机物的雾霾污染物，本发明中所涉及的烟尘尾气均指含有含碳有机物的烟尘尾气，以下不再赘述。
根据本发明的实施例，参考图1-3，阳极反应罐2，将污染物或者含有污染物的液体以及含有阳极电子载体的阳极反应液加入阳极反应罐2中，阳极反应液含有的氧化态阳极电子载体与污染物中的还原性物种（通常为有机物）发生反应，自身被还原为还原态的阳极电子载体。
根据本发明的一个具体实施例，阳极反应罐2为带搅拌的全混釜式反应罐。
根据本发明的实施例，参考图1-3，液流式燃料电池4，所述液流式燃料电池4包括由电解质隔膜4-3分隔的阳极放电室4-1和阴极放电室4-5，所述阳极放电室4-1的反应液入口与所述阳极反应罐2的反应液第一出口相连。将阳极反应罐2中反应所得混合液泵入液流式燃料电池4的阳极放电室4-1中，在阳极放电室4-1中，还原态的阳极电子载体将电子转移至阳极处，自身被氧化为氧化态的阳极电子载体。与此同时，阴极反应罐5中含有氧化态的阴极电子载体的电解质溶液被泵入至阴极放电室4-5，在阴极处接受电子而还原为还原态的阴极电子载体。
进一步地，所述阳极放电室和阴极放电室由石墨材料制备得到。
在本发明的实施例中，所述液流式燃料电池4的具体结构并不受特别限制，本领域人员可根据已有的液流电池结构进行设计，以提高电子载体在电极上的放电反应速率和效率。根据本发明的一个具体实施例，所述液流式燃料电池4还包括由高性能石墨材料制作且表面刻有流道的阳极双极板4-2和阴极双极板4-4，所述阳极双极板4-2紧贴着所述电解质隔膜4-3的靠近所述阳极放电室4-1的一侧设置，所述阴极双极板4-4紧贴着所述电解质隔膜4-3的靠近所述阴极放电室4-5的一侧设置。阳极反应罐中的固液混合物经过滤后，液体输送至液流式燃料电池的阳极放电室中，此时还原态的阳极电子载体将电子转移至阳极双极板，自身被氧化为氧化态的阳极电子载体；与此同时，阴极放电室中氧化态的阴极电子载体被泵入至阴极放电室，在阴极处（阴极双极板）接受电子而还原为还原态的阴极电子载体。阳极双极板和阴极双极板的作用是收集电子，本发明实施中也可以采用其他的导电电极，优选双极板电极，双极板电极效率最好。
根据本发明的再一个具体实施例，所述电解质隔膜4-3为聚合物阴离子交换膜或者聚合物阳离子交换膜，例如YAM-1阴离子交换膜（坊市亚德世环保设备有限公司），Nafion211型质子交换膜，Nafion 115型质子交换膜，Nafion 117型质子交换膜（DuPont™, USA），AMI-7001阴离子交换膜 (Membranes International Inc., NJ, USA), HoAM G-1204 阴离子交换膜(AGC Inc., Tokyo, Japan), 7171-PE阴离子交换膜（杭州绿合环保科技股份有限公司）。
根据本发明的实施例，参考图1-3，阴极反应罐5，所述阴极反应罐5的反应液出口与所述阴极放电室4-5的反应液入口相连。上述阴极反应罐5中装有含有的电解质溶液，还原态的阴极电子载体在氧化物质的作用下被氧化为氧化态的阴极电子载体。
根据本发明的一个具体实施例，所述阴极反应罐包括空气或者氧气入口；进一步地，所述阴极反应罐包括空气导管5-1，所述空气导管设置在所述空气或者氧气入口处。阴极反应罐5通过空气导管5-1持续地通入氧气或空气氧化还原态的电子载体，以继续用于接收电子。在本发明的实施中，也可以采用别的氧化剂，优选空气和氧气，空气和氧气最便宜。
根据本发明的再一个具体实施例，所述阳极放电室4-1的反应液出口与所述阳极反应罐2相连，将含有氧化态的阳极电子载体的阳极反应液泵入至阳极反应罐2中继续氧化烟尘，从而实现阳极反应液的循环使用。
根据本发明的又一个具体实施例，所述阴极放电室4-5的反应液出口与所述阴极反应罐5相连，将含有还原态的阴极电子载体的电解质溶液泵入至阴极反应罐5，阴极反应罐中持续地通入氧气或空气氧化还原态的阴极电子载体，以继续用于接收电子，从而实现电解质溶液的循环使用。
进一步地，根据本发明的实施例，参考图1-2，上述发电装置还包括除尘器1，所述除尘器1与所述阳极反应罐2的污染物入口相连。所述除尘器1将污染空气或者烟尘尾气进行过滤，以达到净化污染空气以及收集污染物的目的。
根据本发明的一个具体实施例，参考附图1，所述除尘器1为湿式除尘器，进一步地，所述阳极反应罐2的反应液体第二出口与所述湿式除尘器相连，阳极反应罐2中的反应液的其中一部分泵入阳极放电室4-1，另外一部分则返回至湿式除尘器，继续用于洗涤污染气体，从而实现洗涤液的循环使用。
在本发明的实施例中，上述所述湿式除尘器的具体种类并不受特别限制，可选择重力喷雾洗涤器、旋风洗涤器、板式洗涤器、填料洗涤器、文丘里洗涤器等常用的湿式除尘器，以使气体与洗涤液密切接触，利用水滴和尘粒的惯性碰撞而捕集尘粒。
根据本发明的再一个具体实施例，所述阳极放电室4-1的反应液出口与所述湿式除尘器相连，所述阳极放电室4-1中反应后的反应液返回至湿式除尘器，继续用于洗涤污染气体，从而实现反应液的循环使用。
根据本发明的又一个具体实施例，参考附图2，所述除尘器为干式除尘器，与湿法除尘偶联发电的流程类似，只是将污染空气和烟尘尾气的净化采用过滤等干法除尘方式进行，而将过滤得到的污染物送入阳极反应罐2中，而从阳极放电室4-1中连续流出的液体循环则至阳极反应罐2中。
进一步地，参考附图1-3，所述发电装置还包括液固分离过滤器3，所述液固分离过滤器3设置在所述阳极反应罐2与所述阳极放电室4-1的反应液入口之间，对进入阳极放电室4-1的反应液进行固液分离，所得液体泵入所述阳极放电室，避免反应液中的固体影响阳极放电室的正常运行。
进一步地，参考附图3，所述发电装置还包括阳极循环泵7，所述阳极循环泵7设置在所述阳极反应罐2和所述阳极放电室4-1之间且靠近所述阳极放电室处，用于将阳极反应罐2中的反应液泵入阳极放电室4-1。进一步地，所述发电装置还包括阴极循环泵8，所述阴极循环泵8设置在所述阴极反应罐5和所述阴极放电室4-5之间且靠近所述阴极放电室处，用于将阴极反应罐5中的电解液泵入阴极放电室4-5。
进一步地，参考附图3，所述发电装置还包括阳极换热器6，所述阳极换热器6设置在所述阳极反应罐2和所述阳极放电室4-1之间，用于控制进入阳极放电室4-1的反应液的温度，避免反应液的温度过高或者过低影响阳极放电室的正常运行。
进一步地，参考附图3，所述发电装置还包括阴极换热器9，所述阴极换热器9设置在所述阴极反应罐5和所述阴极放电室4-5之间，用于控制进入阴极放电室4-5的电解液的温度，避免电解液的温度过高或者过低影响阴极放电室的正常运行。
进一步地，参考附图3，所述发电装置还包括外接负载4-6，所述外接负载4-6设置在所述液流式燃料电池的外部且设置在所述阳极放电室和所述阴极放电室之间。
根据本发明上述实施例的发电装置，在阳极反应罐中，阳极反应液含有的氧化态阳极电子载体与污染物中的还原性物种（通常为有机物）发生反应，自身被还原为还原态的阳极电子载体；之后阳极反应液输送至液流式燃料电池的阳极放电室中，此时还原态的阳极电子载体将电子转移至阳极处，自身被氧化为氧化态的阳极电子载体。与此同时，阴极反应罐中氧化态的阴极电子载体被泵入至阴极放电室，在阴极处接受电子而还原为还原态的阴极电子载体。该装置可在温和条件下实现污染空气的净化和污染物的直接电能转化相偶联，具有污染处理和能源生产的双重效益。
在本发明的另一方面，本发明提出了一种发电方法，包括：
S100：将污染气体进行除尘净化
在该步骤中，将污染气体进行除尘净化，以便得到污染物。在本发明的实施例中，上述除尘净化的具体方式并不受特别限制，可以采用湿法除尘，也可以采用过滤除尘的方法进行净化，再将分离的雾霾或烟尘颗粒送入除尘液反应罐中，特别是结合现有的除尘设备，例如过滤除尘、静电除尘等干法除尘，将污染物和烟尘除去，净化空气的同时收集雾霾或烟尘颗粒。
根据本发明的一个具体实施例，将所述污染气体通入湿式除尘器，并与所述湿式除尘器中的含阳极电子载体的洗涤液接触，以便获得净化气体和阳极反应液，将所述阳极反应液泵入所述阳极反应罐。
进一步地，所述污染气体在所述湿式除尘器中以逆流的方式与所述洗涤液接触，特别是将气体从除尘器底部通入，液体从除尘器顶部进入。更进一步地，所述污染气体和所述洗涤液的体积流量比为(2000~250):1，由此，保证含雾霾污染物的空气或烟尘尾气可以得到充分净化。另一方面，湿式除尘过程中污染物与洗涤液中的电子载体充分接触发生反应，部分污染物被氧化，而电子载体被还原。
进一步地，所述湿式除尘器的操作温度为20-40℃，由此保证湿式除尘器正常运行。
进一步地，所述洗涤液中还包括无机酸或无机碱。
根据本发明的再一个具体实施例，将污染空气和烟尘尾气的净化采用过滤等干法除尘方式进行，而将过滤得到的污染物送入阳极反应罐2中。
S200：将污染物或者含有污染物的液体以及含有阳极电子载体的阳极反应液加入阳极反应罐中
在该步骤中，将污染物或者含有污染物的液体以及含有阳极电子载体的阳极反应液加入阳极反应罐中，阳极反应液含有的氧化态阳极电子载体与污染物中的还原性物种（通常为有机物）发生反应，自身被还原为还原态的阳极电子载体。
在本发明的实施例中，所述阳极反应液为阳极电子载体的水溶液。所述阳极电子载体的具体种类并不受特别限制，优选地，所述阳极电子载体选自氯化铁、硝酸铁、硫酸铁、草酸铁、乙二胺四乙酸铁钠、铁氰化钾、磷钼酸和磷钼钒酸中的至少之一。由此，所述阳极电子载体具有氧化还原可逆性，且具有足够高的氧化还原电位，以氧化大部分雾霾污染物，但其氧化还原电位低于氧气，以在热力学上可以被氧气再生；同时，所述阳极电子载体具有稳定性以避免在除尘和反应过程中的降解损失。
进一步地，上述阳极电子载体的浓度并不受特别限制，优选地，所述阳极电子载体的浓度为0.001mol/L-2mol/L。上述阳极电子载体的浓度在该范围可进一步提高阳极电子载体还原度，即促进阳极电子载体氧化污染物提取电子的效率。
在本发明的实施例中，所述阳极反应液中还包括无机酸或无机碱，优选地，所述无机酸或无机碱浓度为0.01-6mol/L。由此，促进阳极电子载体与污染物的反应，提高电子提取效率。
进一步地，所述阳极反应罐的内部温度为40-160℃。在此条件下，进一步使污染物颗粒与阳电子载体在反应罐中继续发生反应，提高电子提取率。
在本发明的实施例中，所述雾霾或烟尘颗粒与除尘液体质量比取决于雾霾或烟尘颗粒的还原性，优选地，所述雾霾或烟尘颗粒与除尘液体质量比为(0.001-0.8):1，以尽可能将其中的电子提取出来。
S300：将步骤S200所得混合液泵入液流式燃料电池的阳极放电室
在该步骤中，将步骤S200所得混合液泵入液流式燃料电池的阳极放电室，此时还原态的阳极电子载体将电子转移至阳极双板，自身被氧化为氧化态的阳极电子载体。
进一步地，将步骤S200所得混合液泵入所述阳极放电室的液体体积流量为0.1-100 ml/min。通过控制液体体积流量来控制阳极电子载体在阳极放电室中的停留时间，同时促进阳极电子载体与电极的接触，提高反应速率。
进一步地，所述阳极放电室的温度为50-110℃。调节阳极放电室的液体温度用以满足所用电解质隔膜的耐受温度范围内尽可能提高电极反应的动力学速率。
S400：将含有阴极电子载体的电解质溶液从阴极反应罐泵入液流式燃料电池的阴极放电室
在该步骤中，将含有氧化态的阴极电子载体的电解质溶液从阴极反应罐泵入液流式燃料电池的阴极放电室，氧化态的阴极电子载体在阴极处接受电子而还原为还原态的阴极电子载体。
进一步地，将所述电解质溶液从所述阴极反应罐泵入所述阴极放电室的液体体积流量为0.1-100 ml/min；优选地，液体在进入阴极极反应室前将其温度调节至50-110℃；优选地，所述阴极反应罐内部温度为40-160℃；优选地，所述阴极反应罐中以0.1-2 vvm的体积流量通入空气或氧气。通过控制上述条件，提高电极反应和电子载体氧化再生动力学，促进电子传递效率，提高功率密度。
在本发明的实施例中，在阴极反应罐5中，还原态的阴极电子载体在氧化物质的作用下被氧化为氧化态的阴极电子载体。
在本发明的实施例中，所述电解质溶液为阴极电子载体的水溶液。所述阴极电子载体的具体种类并不受特别限制，优选地，所述阴极电子载体选自氯化铁、硝酸铁、硝酸、五价硫酸氧钒、磷钼酸和磷钼钒酸中的至少之一。通过阴极电子载体的介导作用加速电子向氧气的传递，从而提高整体电子传递效率和电池功率。
进一步地，所述阴极电子载体的浓度为0.001~4mol/L。上述阴极电子载体的浓度在该范围可进一步提高电池性能，但由于高浓度下阴极电子载体容易析出而堵塞流道，其浓度不宜过高。
S500：将液流式燃料电池的阳极和阴极分别与外部负载连接
在该步骤中，将液流式燃料电池的阳极和阴极分别与外部负载连接，以便获得电能。
本发明实施例所述的发电方法，该方法是基于含尘废气可以通过除尘净化以及污染物含有可氧化的物质，可通过液流式燃料电池将污染物的化学能转化为电能而实现的。利用阳极反应液中的阳极电子载体提取污染物中电子的功能，通过阳极电子载体和阴极电子载体，构建出可实现电子从污染物传递到空气或氧气的电子传递链，从而实现污染物发电的目的。该方法可在温和条件下实现污染空气的净化和污染物的直接电能转化相偶联，具有污染处理和能源生产的双重效益。
附图1展示了湿法除尘偶联电能生产的流程图，即将含雾霾污染物的空气或烟尘尾气连续通入湿式除尘器1，使其与含阳极电子载体的洗涤液进行接触，获得净化气体和除尘液体后，除尘液体连续泵入阳极反应罐2。除尘液反应罐中部分液体经液固分离过滤器3过滤后一部分连续循环至湿式除尘器用于气体净化，另一部分连续泵入液流式燃料电池4的阳极放电室用于发电，从阳极放电室中连续流出的液体循环至湿式除尘器继续用于气体净化；此外，将含有阴极电子载体的电解质溶液从阴极反应罐5中连续泵入到液流式燃料电池4的阴极放电室，而从阴极放电室流出的电解质溶液返回至阴极反应罐中。当连接液流式燃料电池4的阳极和阴极后即可获得电能。
附图2展示了干法除尘偶联电能生产的流程图。此流程与湿法除尘偶联发电的流程类似，只是将污染空气和烟尘尾气的净化采用过滤等干法除尘方式进行，而将过滤得到的污染物送入阳极反应罐2中。而从液流式燃料电池4的阳极放电室中连续流出的液体循环至阳极反应罐2中。
附图3展示了雾霾污染物或烟尘颗粒转化为电能的工作原理。污染物的转化是通过液流式燃料电池实现的。在阳极反应罐2中，在一定的酸碱度下，氧化态的阳极电子载体与污染物中的还原性物种（通常为有机物）发生反应，自身被还原为还原态的阳极电子载体。阳极反应罐中的固液混合物经过滤后，液体输送至液流式燃料电池的阳极放电室中，此时还原态的阳极电子载体将电子转移至阳极双板，自身被氧化为氧化态的阳极电子载体，并被泵入至阳极反应罐中继续氧化烟尘。与此同时，阴极反应罐中氧化态的电子载体被泵入至阴极放电室，在阴极处接受电子而还原为还原态的电子载体，随后返回阴极反应罐。阴极反应罐中持续地通入氧气或空气氧化还原态的电子载体，以继续用于接收电子。因此，通过阳极电子载体和阴极电子载体，构建出可实现电子从污染物传递到氧气的电子传递链，从而实现污染物发电。
下面详细描述本发明的实施例，需要说明的是下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。另外，如果没有明确说明，在下面的实施例中所采用的所有试剂均为市场上可以购得的，或者可以按照本文或已知的方法合成的，对于没有列出的反应条件，也均为本领域技术人员容易获得的。
实施例1
阳极电子载体筛选：
以氯化铁、硝酸铁、硫酸铁、草酸铁、EDTA铁和铁氰化钾为阳极电子载体代表，使用三电极体系，循环伏安法测试其循环可逆性。从分析循环伏安法结果可知氯化铁、EDTA铁与铁氰化钾具有最优循环可逆性。选择上述三者作为阳极电子载体用于液流式燃料电池中放电。以葡萄糖作为有机污染物代表。将浓度为0.25mol/L的阳极电子载体溶液与0.5mol/L的葡萄糖溶液于90℃反应1小时。为保证阳极电子载体的稳定性，氯化铁和EDTA铁中加入0.5mol/L的盐酸作为支撑电解质，在铁氰化钾中加入0.5mol/L的氢氧化钾作为支撑电解质。放电时，使用循环泵将阳极反应液持续地泵入电池阳极放电室，蠕动泵流速为100ml/min。阴极反应液中添加0.37mol/L的 VO2(SO4)2作为阴极电子载体，并添加2mol/L的硫酸作为支持电解质。反应室温度维持在90℃，而电池放电温度为40℃。不同阳极电子载体的放电特性及电池开路电压和最大输出功率如表1所示。由表可知，以铁氰化钾为阳极电子载体的电池放电特性显著优于氯化铁与EDTA铁。
表1 不同阳极电子载体的放电特性
阳极电子载体 最大输出功率（mW/cm2） 开路电压（V）
铁氰化钾 23.65 0.938
氯化铁 4.46 0.424
EDTA-铁 0.33 0.637
实施例2
阴极电子载体筛选：
比较不同阴极电子载体，包括氯化铁、硝酸铁、硝酸和VO2(SO4)2的放电性能。氯化铁浓度为0.8mol/L，并含0.5mol/L的盐酸作为支撑电解质；硝酸铁浓度为0.8mol/L并含0.5mol/L的盐酸作为支撑电解质；硝酸浓度为0.5mol/L的硝酸溶液；VO2(SO4)2浓度为0.37mol/L，并含2mol/L的硫酸作为支撑电解质。放电时，使用循环泵将分别含有上述阴极电子载体的阴极反应液持续地泵入电池阴极放电室，蠕动泵流速为100ml/min。电池阳极反应液为0.5mol/L的亚铁氰化钾溶液，并添加0.5mol/L的氢氧化钾作为支撑电解质。阳极放电室和阴极放电室内部温度为65℃。使用不同阴极电子载体时的放电特性及电池开路电压和最大输出功率如表2所示。由表2可知，以VO2(SO4)2溶液为阴极电子载体时电池具有最佳放电特性。
表2 不同阴极电子载体的放电特性
阴极电子载体 最大输出功率（mW/cm2） 开路电压（V）
氯化铁 29.88 0.477
硝酸铁 43.28 0.704
硝酸 3.88 0.741
VO2(SO4)2 83.18 0.844
实施例3
铁氰化钾在不同条件下与雾霾污染物的反应特性。本实施例中的雾霾污染物指的是含有含碳有机物的雾霾污染物。
改变反应条件，包括铁氰化钾浓度、氢氧化钾浓度、温度和雾霾污染物用量。测定铁氰化钾还原度，结果如下表3所示。由表3可知，铁氰化钾浓度、氢氧化钾浓度、温度等因素之间存在一定的交互作用，提高氢氧化钾浓度，温度或者增大污染物与铁氰化钾的质量比可提高铁氰化钾还原度，即促进铁氰化钾氧化污染物提取电子的效率。铁氰化钾溶液在420nm处存在特征吸收峰，因此可通过测算420nm处铁氰化钾溶液的吸光度后再通过事先建立的吸光度-浓度标准曲线计算得到其还原度。
表3 阳极电子载体铁氰化钾在不同条件下与污染物反应的还原度变化
铁氰化钾浓度 （mol/L） 氢氧化钾浓度 （mol/L） 温度 （℃） 雾霾污染物用量 （mg/mg） 铁氰化钾还原度 （%）
0.1 0.5 50 400 60.48
0.1 1 50 400 81.78
0.1 2 50 400 98.09
0.1 0.5 90 400 95.80
0.1 1 90 400 99.06
0.1 2 90 400 98.57
0.1 0.5 105 400 97.18
0.1 1 105 400 99.55
0.1 2 105 400 99.29
0.25 0.5 50 400 42.18
0.25 1 50 400 51.21
0.25 2 50 400 88.95
0.25 0.5 90 400 68.44
0.25 1 90 400 93.57
0.25 2 90 400 99.55
0.25 0.5 105 400 89.19
0.25 1 105 400 99.29
0.25 2 105 400 99.43
0.5 0.5 50 400 26.68
0.5 1 50 400 41.03
0.5 2 50 400 41.59
0.5 0.5 90 400 62.10
0.5 1 90 400 76.61
0.5 2 90 400 94.70
0.5 0.5 105 400 70.81
0.5 1 105 400 94.85
0.5 2 105 400 98.44
0.5 2 105 200 93.71
0.5 2 105 100 50.01
0.5 2 105 50 24.87
0.5 2 105 0 0
实施例4
亚铁氰化钾在液流式燃料电池中的放电特性：操作条件的影响。
将铁氰化钾的还原态即亚铁氰化钾在液流燃料电池中放电，分析不同参数的影响，结果如下表4所示。在阳极液中，亚铁氰化钾浓度为0.25mol/L与0.5mol/L，氢氧化钾浓度分别为0 mol/L，0.1 mol/L，0.2 mol/L，0.5 mol/L，0.8 mol/L，1 mol/L，1.5 mol/L，2mol/L；使用浓度为0.37mol/L 的VO2(SO4)2作为阴极电解液，并含2mol/L的硫酸作为支撑电解质。放电室温度分别为为27℃，35℃，40℃，45℃，55℃，70℃，80℃。控制蠕动泵的流速为100ml/min。由表4可知，升高电池放电室温度可提高电池性能，但必须控制在膜材料的安全使用温度范围内。提高亚铁氰化钾浓度可以提高电池性能，但由于高浓度下亚铁氰化钾容易析出而堵塞流道，其浓度不宜过高。同时，为了保持电子载体的稳定性，需添加一定量的氢氧化钾支撑电解质，氢氧化钾浓度应大于0.1mol/L，但继续提高氢氧化钾浓度对电池性能的促进作用不明显。
表4 操作条件对液流式燃料电池的放电特性的影响
亚铁氰化钾浓度 （mol/L） 氢氧化钾浓度 （mol/L） 放电室温度 （℃） 最大输出功率（mW/cm2） 开路电压 （V）
0.25 0 40 38.19 0.835
0.25 0.1 40 40.93 0.789
0.25 0.2 40 41.57 0.785
0.25 0.5 40 43.42 0.814
0.25 0.8 40 42.61 0.813
0.25 1 40 43.02 0.819
0.25 1.5 40 44.47 0.839
0.25 2 40 43.18 0.817
0.25 0.5 40 43.42 0.814
0.5 0.5 40 64.81 0.808
0.8 0.5 40 78.87 0.795
0.25 0.5 27 31.61 0.834
0.25 0.5 35 38.62 0.829
0.25 0.5 45 63.19 0.857
0.25 0.5 55 83.03 0.844
0.25 0.5 70 103.07 0.842
0.25 0.5 80 123.85 0.847
0.5 2 80 142.7 1.037
实施例5
亚铁氰化钾在液流式燃料电池中的放电特性：离子交换膜的影响。
将还原态的铁氰化钾即亚铁氰化钾在液流式燃料电池中放电，其中亚铁氰化钾浓度为0.25mol/L，氢氧化钾的浓度为0.5mol/L。阴极电子载体为0.37mol/L VO2(SO4)2其中支撑电解质硫酸浓度为2mol/L。放电室温度为40℃。放电时，使用循环泵将分别含有上述电子载体的阴极反应液持续地泵入电池阴极放电室，蠕动泵流速为100ml/min。液流电池采用的膜材料为YAM-1型阴离子交换膜，Nafion211型质子交换膜，Nafion115型质子交换膜与Nafion117型质子交换膜。电池放电特性如表5所示，可知，使用Nafion117型质子交换膜的燃料电池具有最佳放电性能。
表5离子/质子交换膜对液流式燃料电池放电特性的影响
膜的型号 最大功率密度（mW/cm2） 开路电压（V）
YAM-1 27.69 0.816
Nafion211 32.62 0.766
Nafion115 35.08 0.812
Nafion117 41.75 0.786
实施例6
亚铁氰化钾在液流式燃料电池中的放电特性：还原度的影响。
将具有不同还原度的铁氰化钾溶液在液流式燃料电池中放电，其中阳极支撑电解液氢氧化钾的浓度为0.5mol/L。为模拟具有不同还原度的阳极电解液，控制阳极电解液中氧化态铁氰化钾与还原态亚铁氰化钾的浓度和为0.25mol/L，不同组次实验中，铁氰化钾还原度分别为 5% ，10%，20%，40%，60%，80%，100%。阴极电子载体为0.37mol/L VO2(SO4)2 其中支撑电解质硫酸浓度为2mol/L。放电室温度为45℃。放电时，使用循环泵将分别含有上述电子载体的阴极反应液持续地泵入电池阴极放电室，蠕动泵流速为100ml/min。电池放电性能如下表所示，由表可知，铁氰化钾还原度越高，电池放电性能越好。也表明如果污染物中还原性物质越多，越容易被铁氰化钾氧化的话，电池的放电功率密度则越高。
表6 铁氰化钾还原度对液流式燃料电池放电特性的影响
还原度 （%） 铁氰化钾浓度 （mol/L） 亚铁氰化钾浓度 （mol/L） 最大功率密度（mW/cm2） 开路电压 （V）
5 0.02375 0.0125 12.15 0.743
10 0.225 0.025 20.74 0.76
20 0.2 0.05 28.01 0.791
40 0.15 0.1 30.41 0.8
60 0.1 0.15 34.83 0.832
80 0.05 0.2 41.84 0.850
100 0 0.25 47.14 0.9
实施例7
湿法除尘与发电偶联：
按照附图1所示流程进行含雾霾污染物（指的是含有含碳有机物的雾霾污染物）空气与发电偶联。将含1000 微克/升PM2.5颗粒物的污染空气以10 L/min的流量泵入装有填料的除除尘器。含有0.5 mol/L 铁氰化钾和2 mol/L KOH的洗涤液从除尘器顶部以170ml/min的流量进入除尘器。经检测，出口的气体中PM2.5颗粒物含量为50 微克/升。从除尘器出来的除尘液体进入除尘液反应罐，反应罐以100℃夹套加热。从反应罐出来的液体经砂芯过滤后一部分液体以100ml/min的流量循环至除尘器，另一部分液体以70ml/min的流量进入液体液流式燃料电池的阳极放电室。经检测，进入放电室之前铁氰化钾的还原度为25%。液流电池的阴极电子载体采用0.37mol/L VO2(SO4)2 ，添加0.5mol/L硝酸作为活化剂。阴极电解质溶液以70 ml/min的流量进入液体液流式燃料电池的阴极放电室后循环至阴极反应罐。阴极反应罐中以100ml/min的流量通入空气。测定电池的开路电压为0.8V，电池最高输出功率密度为100mW/cm2。电池进行恒压放电时10小时，输出电流无明显下降。
实施例8
干法除尘与发电偶联：
按照附图2所示的流程进行含有含碳有机物的烟尘尾气净化与发电偶联。燃煤发电厂烟尘尾气经布袋过滤除尘净化后达到国家排放标准。得到的烟尘在除尘液反应罐中与含0.5 M铁氰化钾和2MKOH的电解质溶液进行反应，反应罐以100℃夹套加热。8h后将液体以70 ml/min的流量从除尘液反应罐泵出，经砂芯过滤后进入液体液流式燃料电池的阳极放电室。经检测，进入放电室之前铁氰化钾的还原度为40%。液流电池的阴极电子载体采用0.37mol/L VO2(SO4)2 ，添加0.5mol/L硝酸作为活化剂。阴极电解质溶液以70 ml/min的流量进入液体液流式燃料电池的阴极放电室后循环至阴极反应罐。阴极反应罐中以100 ml/min的流量通入空气。测定电池的开路电压为0.8V，电池输出最高功率密度为120 mW/cm2。每隔2小时往除尘液反应罐中补加烟尘。电池进行恒压放电10小时，输出电流无明显下降。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (26)

1.一种发电装置，其特征在于，包括：
阳极反应罐；
液流式燃料电池，所述液流式燃料电池包括由电解质隔膜分隔的阳极放电室和阴极放电室，所述阳极放电室的反应液入口与所述阳极反应罐的反应液第一出口相连；
阴极反应罐，所述阴极反应罐的反应液出口与所述阴极放电室的反应液入口相连；所述阴极反应罐包括空气或者氧气入口；所述阴极反应罐中设有含有阴极电子载体的电解质溶液，所述阴极电子载体选自氯化铁、硝酸铁、硝酸、五价硫酸氧钒、磷钼酸和磷钼钒酸中的至少之一；
还包括：除尘器，所述除尘器与所述阳极反应罐的入口相连；所述除尘器为湿式除尘器，所述湿式除尘器用于将通入湿式除尘器的包括含碳有机物的污染空气与湿式除尘器中的含阳极电子载体的洗涤液接触，以便获得净化气体和包括含碳有机物的液体，将所述液体和含有阳极电子载体的阳极反应液泵入所述阳极反应罐，所述阳极电子载体选自氯化铁、硝酸铁、硫酸铁、乙二胺四乙酸铁钠、铁氰化钾、磷钼酸和磷钼钒酸中的至少之一，所述阳极反应罐的反应液体第二出口与所述湿式除尘器相连；所述阳极放电室的反应液出口与所述阳极反应罐相连；所述阴极放电室的反应液出口与所述阴极反应罐相连。
2.根据权利要求1所述的发电装置，其特征在于，所述液流式燃料电池还包括阳极双极板和阴极双极板，所述阳极双极板紧贴着所述电解质隔膜的靠近所述阳极放电室的一侧设置，所述阴极双极板紧贴着所述电解质隔膜的靠近所述阴极放电室的一侧设置。
3.根据权利要求1所述的发电装置，其特征在于，所述电解质隔膜为聚合物阴离子交换膜或者聚合物阳离子交换膜。
4.根据权利要求1-3任一项所述的发电装置，其特征在于，还包括：
液固分离过滤器，所述液固分离过滤器设置在所述阳极反应罐与所述阳极放电室的反应液入口之间。
5.根据权利要求1-3任一项所述的发电装置，其特征在于，还包括：阳极循环泵，所述阳极循环泵设置在所述阳极反应罐和所述阳极放电室之间且靠近所述阳极放电室处。
6.根据权利要求1-3任一项所述的发电装置，其特征在于，还包括：阴极循环泵，所述阴极循环泵设置在所述阴极反应罐和所述阴极放电室之间且靠近所述阴极放电室处。
7.根据权利要求1-3任一项所述的发电装置，其特征在于，还包括：阳极换热器，所述阳极换热器设置在所述阳极反应罐和所述阳极放电室之间。
8.根据权利要求1-3任一项所述的发电装置，其特征在于，还包括：阴极换热器，所述阴极换热器设置在所述阴极反应罐和所述阴极放电室之间。
9.根据权利要求1-3任一项所述的发电装置，其特征在于，还包括：外接负载，所述外接负载设置在所述液流式燃料电池的外部且与所述液流式燃料电池的阳极和阴极连接。
10.根据权利要求1-3任一项所述的发电装置，其特征在于，所述阴极反应罐包括空气导管，所述空气导管设置在所述空气或者氧气入口处。
11.一种采用权利要求1-10任一项所述的发电装置进行发电的方法，包括以下步骤：
（1）将包括含碳有机物的污染空气通入湿式除尘器进行除尘净化，以便得到包括含碳有机物的液体；
（2）将包括含碳有机物的液体以及含有阳极电子载体的阳极反应液加入阳极反应罐中，以便使所述阳极电子载体与所述含碳有机物反应；
（3）将步骤（2）所得混合液泵入液流式燃料电池的阳极放电室；
（4）将含有阴极电子载体的电解质溶液从阴极反应罐泵入液流式燃料电池的阴极放电室；
（5）将液流式燃料电池的阳极和阴极分别与外部负载连接，以便获得电能。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述包括含碳有机物的污染空气在所述湿式除尘器中以逆流的方式与所述洗涤液接触。
13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述湿式除尘器的操作温度为20-40℃。
14.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述洗涤液中还包括无机酸或无机碱。
15.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括：对步骤（2）所得混合液进行固液分离，所得液体泵入所述阳极放电室。
16.根据权利要求11-15任一项所述的方法，其特征在于，所述阳极电子载体的浓度为0.001mol/L-2mol/L。
17.根据权利要求11-15任一项所述的方法，其特征在于，所述阳极反应液中还包括无机酸或无机碱。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述无机酸或无机碱浓度为0.01-6mol/L。
19.根据权利要求11-15任一项所述的方法，其特征在于，所述阳极反应罐的内部温度为40-160℃。
20.根据权利要求11-15任一项所述的方法，其特征在于，将步骤（2）所得混合液泵入所述阳极放电室的液体体积流量为0.1-100 ml/min。
21.根据权利要求11-15任一项所述的方法，其特征在于，所述阳极放电室的温度为50-110℃。
22.根据权利要求11-15任一项所述的方法，其特征在于，将所述电解质溶液从所述阴极反应罐泵入所述阴极放电室的液体体积流量为0.1-100 ml/min。
23.根据权利要求11-15任一项所述的方法，其特征在于，所述阴极放电室的温度为50-110℃。
24.根据权利要求11-15任一项所述的方法，其特征在于，所述阴极电子载体的浓度为0.001~4mol/L。
25.根据权利要求11-15任一项所述的方法，其特征在于，所述阴极反应罐的内部温度为40-160℃。
26.根据权利要求11-15任一项所述的方法，其特征在于，以0.1-2 vvm的体积流量向所述阴极反应罐中通入空气或氧气。
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN201182972Y (zh) * 2008-01-03 2009-01-21 沈斌 组合制氢催化回收资源装置
CN104377375A (zh) * 2014-11-03 2015-02-25 中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司 一种整体煤气化熔融碳酸盐燃料电池发电系统
CN107077893A (zh) * 2014-05-29 2017-08-18 辉光能源公司 发电系统及其相关方法

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6780534B2 (en) * 2001-04-11 2004-08-24 Donaldson Company, Inc. Filter assembly for intake air of fuel cell
EP1469544A1 (en) * 2003-04-11 2004-10-20 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Method of operating a fuel cell, air purifying apparatus and fuel cell
US7442453B1 (en) * 2004-12-27 2008-10-28 Utc Fuel Cells, Llc Decontamination procedure for a fuel cell power plant
CN103285698B (zh) * 2013-05-27 2015-03-25 秦皇岛思泰意达科技发展有限公司 露天除尘系统
CN103566675B (zh) * 2013-09-16 2015-12-23 同济大学 一种适用于燃料电池系统的阴极空气过滤器
CN106257729A (zh) * 2015-06-17 2016-12-28 中国科学院大连化学物理研究所 自呼吸式光助生物质燃料电池及其应用
CN105977514A (zh) * 2016-05-30 2016-09-28 国电新能源技术研究院 一种污泥燃料电池
CN106474862B (zh) * 2016-11-11 2018-08-21 江苏大学 一种除尘净化装置
CN112555876A (zh) * 2016-12-21 2021-03-26 姜洪明 多个烟囱共用废气净化设备的环保烟囱
CN106705092A (zh) * 2017-01-19 2017-05-24 李竟儒 一种控制雾霾燃煤炉的消烟除尘余热变电能的装置
CN206793332U (zh) * 2017-03-15 2017-12-26 吐哈石油勘探开发指挥部石油天然气化工厂 一种有机气体回收发电装置
CN108987780A (zh) * 2018-08-30 2018-12-11 广东工业大学 一种生物质液流燃料电池系统
CN109728332B (zh) * 2018-12-19 2021-09-10 清华大学 木质纤维素生物质直接转化为电能的方法
CN111333201A (zh) * 2020-03-18 2020-06-26 重庆大学 含铜废水及有机废气深度处理与废热回收利用综合系统

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN201182972Y (zh) * 2008-01-03 2009-01-21 沈斌 组合制氢催化回收资源装置
CN107077893A (zh) * 2014-05-29 2017-08-18 辉光能源公司 发电系统及其相关方法
CN104377375A (zh) * 2014-11-03 2015-02-25 中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司 一种整体煤气化熔融碳酸盐燃料电池发电系统

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