CN113169367A - 熔融碳酸盐直接碳燃料电池系统和方法 - Google Patents

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Abstract

描述了一种直接碳燃料电池系统。系统包括燃料电池，每个燃料电池具有多孔燃料电池阳极和燃料电池阴极。系统还包括熔融碳酸盐电解质和燃料供应装置，该燃料供应装置用于使具有碳颗粒和碳载体流体的燃料浆料并行地流至燃料电池阳极。碳载体流体具有与熔融碳酸盐电解质相同的组成。氧化剂供应装置使含氧流并行地流向燃料电池阴极。电解质循环装置使熔融碳酸盐电解质与燃料电池中的每一个燃料电池接触地循环。在直接碳燃料电池系统生成电力的操作期间，碳在燃料电池阳极处氧化以产生二氧化碳，并且在燃料电池阴极处氧和二氧化碳反应以产生碳酸根离子。

Description

熔融碳酸盐直接碳燃料电池系统和方法
技术领域
本公开涉及一种熔融碳酸盐直接碳燃料电池系统及其操作。
背景技术
一个多世纪以来，人们一直在探索将碳直接转化为电力，过去主要集中于高碳燃料原料(诸如，煤和生物质)。近期的关注点继续由对能源和环境的关注所激发。直接碳燃料电池(DCFC)的特征在于高效率(理论上为100％)和低排放，因为初级输出产物是纯二氧化碳(CO2)，其可被隔离或用作各种工艺中的工业原料。然而，DCFC技术的特征在于许多技术挑战，并且尚未达到其适于广泛商业采用的开发阶段。
直接碳转化是可以用不同燃料电池技术实现的高温过程，固体氧化物燃料电池(SOFC)和熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)是最常见类型的DCFC。
典型的熔融碳酸盐直接碳燃料电池(MC-DCFC)100示意性地在图1中示出。如图1中所示，二氧化碳(在阳极处产生)在阴极处与空气混合并且经历碳酸盐形成反应——参见以下方程式(1)。在阴极处形成的碳酸根离子被传导通过熔融碳酸盐(MC)电解质，其中，在正确条件下，在阳极的三相边界处，它们氧化固体碳燃料以产生二氧化碳——参见以下方程式(2)。在这种情况下，三相边界(TPB)是碳燃料与离子导电熔融碳酸盐电解质和载流电极两者接触的位置，该载流电极可以经由负载将电子传导至阴极以完成电化学反应并且产生电力。可以分离在碳氧化反应中产生的一部分产物二氧化碳并且引导至阴极以补充消耗的碳酸根离子并且继续反应。净反应在以下方程式(3)中示出。在化学计量的基础上，阴极将消耗在阳极处产生的二氧化碳的2/3。
阴极：O2+2CO2+4e-→CO3 2- (1)
阳极：C(s)+2CO32-→3CO2+4e- (2)
净反应：C(s)+O2→CO2 (3)
实际上，存在可以在MCDCFC中的温度下发生的许多其他反应。最值得注意的是，碳也可以在CO2的存在下进行反向Boudouard反应，如方程(4)所示。
反向Boudouard：
Figure BDA0003091979230000021
这是平衡反应并且不涉及电子的转移。由碳气化产生的一氧化碳(CO)也可以在电化学反应中被消耗，例如，如等式(5)中所示。在这种情况下，每摩尔碳仅交换2个电子而不是4个，因此这个反应降低了总反应效率。
阳极：CO+CO3 2-→2CO2+2e- (5)
并非所有由反向Boudouard反应产生的CO都必须进行电化学转化，而是可以与产物气体一起排出，再次降低总效率，此外，污染CO2排气流，这可能导致需要昂贵的后处理或气体净化。
与气态燃料不同，确保固体碳颗粒在阳极处建立TPB位点是一个相当大的挑战。碳颗粒的迁移率、其可用于与阳极电极建立电接触的相对表面积、以及碳在电解质中的可润湿性(以促进碳酸盐离子交换)是需要控制的因素，在DCFC中实现合理的功率密度和碳转换效率。
迄今为止，在这个领域中进行的大多数研究已经研究了在基础电化学水平下的理论DCFC电池行为，但是工业界尚未递送可行的解决方案来解决与以商业上可行的方式将固体碳转化为电力相关联的重大挑战。本文中描述的技术涉及更适合于工业规模的商业应用的MCDCFC系统和拓扑。
发明内容
根据本公开的第一方面，提供了一种直接碳燃料电池系统，包括：多个燃料电池，每个燃料电池包括多孔燃料电池阳极和燃料电池阴极；熔融碳酸盐电解质；燃料供应装置，该燃料供应装置用于使包含碳颗粒和碳载体流体的燃料浆料并行地流向燃料电池阳极，其中，碳载体流体具有与熔融碳酸盐电解质相同的组成；氧化剂供应装置，该氧化剂供应装置用于使含氧流并行地流向燃料电池阴极；以及电解质循环装置，该电解质循环装置用于使熔融碳酸盐电解质与多个燃料电池中的每一个接触地循环，其中，在直接碳燃料电池系统生成电力的操作期间，碳在燃料电池阳极处氧化以产生二氧化碳，并且在燃料电池阴极处氧和二氧化碳反应以产生碳酸根离子。
电解质循环装置可以被配置为将熔融碳酸盐电解质并行地循环通过多个燃料电池中的每一个。
燃料电池中的每一个还可以包括介于燃料电池阳极与燃料电池阴极之间的电解质流场室，并且电解质循环装置还被配置为使熔融碳酸盐电解质并行地循环通过电解质流场室。
燃料电池中的每一个还可以包括阳极流场室。
燃料供应装置可以被配置为使燃料浆料并行地循环通过阳极流场室，使得燃料浆料与燃料电池阳极接触，并且燃料电池中的每一个还可以包括介于燃料电池阳极与燃料电池阴极之间的电解质流场室，并且电解质循环装置可以被配置为使熔融碳酸盐电解质并行地循环通过电解质室。
燃料供应装置可以被配置为使燃料浆料并行地流向阳极流场室，由此在多个燃料电池中的每一个中，燃料浆料被推进至多孔燃料电池阳极中，使得碳颗粒中的至少一些接触多孔燃料电池阳极并且碳载体流体中的至少一些穿过多孔燃料电池阳极的厚度。
来自供应到每个阳极流场室的燃料浆料的基本上全部的碳载体流体可以穿过对应的多孔燃料电池阳极的厚度。
燃料电池中的每一个还可以包括介于燃料电池阳极与燃料电池阴极之间的电解质流场室，并且燃料供应装置可以被配置为将燃料浆料并行地流入电解质流场室。
燃料供应装置可以被进一步配置为使燃料浆料循环通过电解质流场室，在多个燃料电池中的每一个中，燃料浆料被推进至多孔燃料电池阳极中，使得碳颗粒中的至少一些接触多孔燃料电池阳极，并且碳载体流体中的至少一些穿过多孔燃料电池阳极的厚度进入电解质返回室，并且碳载体流体中的至少一些经由相应的电解质流场室中的出口离开电解质流场室。
燃料供应装置可以被进一步配置为使燃料浆料循环通过电解质流场室，在多个燃料电池中的每一个中，燃料浆料被推进至多孔燃料电池阳极中，使得碳颗粒中的至少一些接触多孔燃料电池阳极，并且从燃料浆料供应至每个电解质流场室的基本上全部的碳载体流体穿过对应的多孔燃料电池阳极的厚度进入电解质返回室中，并且碳载体流体中的至少一些经由相应的电解质流场室中的出口离开电解质流场室。
在燃料电池阳极处产生的二氧化碳产物气体的至少一些可以迁移通过燃料电池阳极并且迁移至电解质返回室。
燃料供应装置可以包括燃料浆料循环装置，该燃料浆料循环装置被配置为使已经穿过阳极的燃料浆料中的至少一些流出电解质返回室，并且电解质循环装置可以被配置为将经由出口离开电解质流动室的碳载体流体的至少一些与已经流出电解质返回室的燃料浆料的至少一些结合。
燃料浆料循环装置和电解质循环装置可以各自包括一个或多个泵，并且一个或多个泵可以被配置为调节已经从电解质返回室流出的燃料浆料的至少一些与经由出口已经离开电解质流动室的碳载体流体的至少一些的相应流速。
多个燃料电池中的每一个还可以包括阴极保护屏障，该阴极保护屏障介于燃料电池阴极与其邻近的电解质流场室之间。
直接碳燃料电池系统还可以包括用于将在燃料电池阳极处产生的产物二氧化碳气体的至少一部分引导至燃料电池阴极的气体流动路径。
直接碳燃料电池系统还可以包括在气体流动路径中的混合室，该混合室用于将在燃料电池阳极处产生的产物二氧化碳气体的至少一部分与空气结合以产生含氧流。
可以不存在用于将气态二氧化碳从燃料电池阳极引导至燃料电池阴极的气体流动路径，并且在燃料电池阳极处产生的二氧化碳的至少一部分可以经由熔融碳酸盐电解质迁移至燃料电池阴极。
含氧流可以是包含在燃料电池阳极处产生的二氧化碳、氧和熔融碳酸盐电解质的液体流，并且氧化剂供应装置可以包括用于将在燃料电池阳极处产生的二氧化碳和氧夹带至熔融碳酸盐电解质中以产生含氧流的夹带容器。
直接碳燃料电池系统还可以包括热交换器，其中，电解质循环装置可以被配置为进一步使熔融碳酸盐电解质循环通过热交换器的热侧。
多个燃料电池可以至少部分地浸没在熔融碳酸盐电解质贮存器中。
直接碳燃料电池系统还可以包括在熔融碳酸盐电解质贮存器中用于加热熔融碳酸盐电解质的浸没式加热器。
直接碳燃料电池系统还可以包括热交换器，其中，电解质循环装置可以被配置为使熔融碳酸盐电解质从熔融碳酸盐电解质贮存器循环通过热交换器的热侧并且返回至熔融碳酸盐电解质贮存器。
燃料电池可以具有管状设计或平面设计。
多孔燃料电池阳极中的每一个可以具有通过燃料电池阳极的厚度渐变的平均孔径。
孔径在燃料浆料通过多孔燃料电池阳极的流动方向上可以连续地或逐步减小。
多个多孔燃料电池阳极中的每一个可以包括结构支撑构件，用于向其相应的多孔燃料电池阳极提供结构刚度。
结构支撑构件可以用作其相应的多孔燃料电池阳极的集电器。
根据本公开的另一方面，提供了一种用于操作直接碳燃料电池系统以生成电力的方法，该系统包括多个燃料电池，每个燃料电池包括多孔燃料电池阳极和燃料电池阴极，其中，该方法包括：将包含碳颗粒和碳载体流体的燃料浆料并行地供应至燃料电池阳极，其中，碳载体流体具有与熔融碳酸盐电解质相同的组成；将含氧流并行供应至燃料电池阴极；以及循环与多个燃料电池中的每一个接触的熔融碳酸盐电解质，由此碳在燃料电池阳极处被氧化以产生二氧化碳，并且在燃料电池阴极处氧和二氧化碳反应以产生碳酸盐离子。
使熔融碳酸盐电解质与多个燃料电池中的每一个接触地循环可以包括使熔融碳酸盐电解质并行地循环通过多个燃料电池中的每一个。
燃料电池中的每一个可以包括介于燃料电池阳极与燃料电池阴极之间的电解质流场室，并且使熔融碳酸盐电解质与多个燃料电池中的每一个接触地循环可以包括使熔融碳酸盐电解质并行地循环通过电解质流场室。
燃料电池中的每一个可以包括阳极流场室。
燃料电池中的每一个还可以包括介于燃料电池阳极与燃料电池阴极之间的电解质流场室，并且将包含碳颗粒和碳载体流体的燃料浆料并行地供应至燃料电池阳极可以包括使燃料浆料并行地循环通过阳极流场室，使得燃料浆料接触燃料电池阳极；并且使熔融碳酸盐电解质与多个燃料电池中的每一个接触地循环包括使熔融碳酸盐电解质并行地循环通过电解质流场室。
将包含碳颗粒和碳载体流体的燃料浆料并行地供应至燃料电池阳极可以包括使燃料浆料并行地循环至阳极流场室，由此燃料浆料推进至多孔燃料电池阳极中，使得碳颗粒中的至少一些接触多孔燃料电池阳极并且碳载体流体中的至少一些穿过多孔燃料电池阳极的厚度。
来自供应至每个阳极流场室的燃料浆料的基本上全部的碳载体流体可以穿过对应的多孔燃料电池阳极的厚度。
燃料电池中的每一个可以包括介于燃料电池阳极与燃料电池阴极之间的电解质流场室，并且使熔融碳酸盐电解质与多个燃料电池中的每一个接触地循环可以包括将燃料浆料并行地供应至电解质流场室中。
将包含碳颗粒和碳载体流体的燃料浆料并行地供应至燃料电池阳极可以包括使燃料浆料循环通过电解质流场室，由此在多个燃料电池中的每一个中，燃料浆料被推进至多孔燃料电池阳极中，使得碳颗粒中的至少一些接触多孔燃料电池阳极，并且碳载体流体中的至少一些穿过多孔燃料电池阳极的厚度进入电解质返回室，并且碳载体流体中的至少一些经由相应的电解质流场室中的出口离开电解质流场室。
将包含碳颗粒和碳载体流体的燃料浆料并行地供应至燃料电池阳极可以包括使燃料浆料循环通过电解质流场室，由此在多个燃料电池中的每一个中，燃料浆料被推进至多孔燃料电池阳极中，使得碳颗粒中的至少一些接触多孔燃料电池阳极，并且从燃料浆料供应至每个电解质流场室的基本上全部的碳载体流体通过相应的多孔燃料电池阳极的厚度。
该方法还可以包括使已经穿过阳极的燃料浆料中的至少一些流出电解质返回室，以及将经由出口离开电解质流动室的碳载体流体的至少一些与流出电解质返回室的燃料浆料的至少一些结合。
该方法还可以包括调节已经从电解质返回室流出的燃料浆料中的至少一些和经由出口已经离开电解质流动室的碳载体流体中的至少一些的相应流速。
多个燃料电池中的每一个还可以包括阴极保护屏障，该阴极保护屏障介于燃料电池阴极与其邻近的电解质流场室之间。
该方法还可以包括将在燃料电池阳极处产生的产物二氧化碳气体的至少一部分引导至燃料电池阴极。
该方法还可以包括将在燃料电池阳极处产生的产物二氧化碳气体的至少一部分与空气结合以产生含氧流。
在燃料电池阳极处产生的二氧化碳的至少一部分可以经由熔融碳酸盐电解质迁移至燃料电池阴极，并且气态二氧化碳可以不从燃料电池阳极供应至燃料电池阴极。
该方法还可以包括将含氧流制备为包含熔融碳酸盐电解质、氧、以及在燃料电池阳极处产生的二氧化碳的液体流。
该方法还可以包括使熔融碳酸盐电解质循环通过热交换器的热侧。
多个燃料电池可以至少部分地浸没在熔融碳酸盐电解质贮存器中。
该方法还可以包括使用浸没式加热器加热熔融碳酸盐电解质贮存器中的熔融碳酸盐电解质。
该方法还可以包括使熔融碳酸盐电解质从熔融碳酸盐电解质贮存器循环通过热交换器的热侧并且返回至熔融碳酸盐电解质贮存器。
燃料电池可以具有管状设计或平面设计。
多个多孔燃料电池阳极中的每一个可以具有通过燃料电池阳极的厚度渐变的平均孔径。
孔径在燃料浆料通过多孔燃料电池阳极的流动方向上可以连续地或逐步减小。
多个多孔燃料电池阳极中的每一个可以包括结构支撑构件，用于向其相应的多孔燃料电池阳极提供结构刚度。
结构支撑构件可以用作其相应的多孔燃料电池阳极的集电器。
根据本公开的另一方面，提供了一种直接碳燃料电池系统，包括：多个燃料电池，每个燃料电池包括：多孔阳极；阴极；以及在阳极与阴极之间的电解质流场室；电解质循环装置，该电解质循环装置用于使熔融碳酸盐电解质与燃料电池接触地循环，燃料供应装置，该燃料供应装置用于使包含碳颗粒的燃料浆料流向阳极；氧化剂供应装置，该氧化剂供应装置用于使含氧流流向阴极；其中，在直接碳燃料电池系统的操作期间：在阳极处，碳颗粒的碳被氧化以产生二氧化碳产物气体；二氧化碳产物气体中的至少一些经由电解质流场室从阳极流向阴极；并且在阴极处，二氧化碳产物气体中的至少一些与含氧流的氧反应以产生碳酸根离子。
直接碳燃料电池系统可以包括上文结合本公开的第一方面描述的任何特征。
根据本公开的另一方面，提供了一种直接碳燃料电池系统，包括：多个燃料电池，每个燃料电池包括：多孔阳极；以及阴极；电解质循环装置，该电解质循环装置用于使熔融碳酸盐电解质与燃料电池接触地循环，燃料供应装置，该燃料供应装置用于使包含碳颗粒的燃料浆料流向阳极；以及氧化剂供应装置，该供应装置用于使液态含氧流流向阴极，其中，液体含氧流包括熔融碳酸盐电解质中的至少一些，其中，在燃料电池的操作期间：在阳极处，碳颗粒的碳被氧化以产生二氧化碳产物气体；并且在阴极处，二氧化碳产物气体与液体含氧流的氧反应以产生碳酸根离子。
直接碳燃料电池系统可以包括上文结合本公开的第一方面描述的任何特征。
其他方面和示例实施例在附图中示出和/或在以下描述中描述。
附图说明
附图示出本公开的非限制性示例实施例。附图不旨在按比例绘制，并且在大多数情况下是示意性的或简化的，旨在清楚地示出本公开的不同方面。
图1是传统的直接碳燃料电池(MC-DCFC)的示意图。
图2是熔融碳酸盐燃料电池组件的分解图，其中电解质夹带在介于阳极与阴极之间的多孔基质中。
图3是熔融碳酸盐燃料电池系统的实施方式的示意图，其中多个直接碳燃料电池浸没在共用电解质贮存器中。
图4是具有熔融碳电解质循环、碳燃料浆料循环和流经(flow-by)阳极配置的熔融碳酸盐直接碳燃料电池系统的实施方式的示意图。
图5是具有熔融碳电解质循环、碳燃料浆料循环和流通(flow-through)阳极配置的熔融碳酸盐直接碳燃料电池系统的实施方式的示意图。
图6是示出在直接碳熔融碳酸盐电解质燃料电池中的三相边界反应位点的示图。
图7A是具有流通多孔阳极的直接碳燃料电池单元电池的实施方式的示意图。
图7B是具有包括单独的过滤元件的流通阳极的直接碳燃料电池单元电池的实施方式的示意图。
图8示出多层阳极复合阳极的实施方式，其中每个离散层具有不同的孔径。
图9是多层阳极的两层的分解示意图。
图10是包括多孔电极层和结构支撑层的多层阳极的实施方式的等距示意图。
图11是具有熔融碳电解质循环、碳燃料浆料循环和流通阳极配置的熔融碳酸盐直接碳燃料电池系统的实施方式的示意图。
图12是具有熔融碳电解质循环、碳燃料浆料循环和部分流通、部分流经阳极配置的熔融碳酸盐直接碳燃料电池系统的实施方式的示意图。
图13是具有熔融碳电解质循环、碳燃料浆料循环和部分流通、部分流经阳极配置的熔融碳酸盐直接碳燃料电池系统的实施方式的示意图。
图14是具有阴极保护屏障的实施方式的示意图。
图15是熔融碳酸盐直接碳燃料电池的实施方式的示意图，其中在阳极处形成的二氧化碳经由熔融碳酸盐电解质传递至阴极。
图16是具有流通阳极配置的熔融碳酸盐直接碳燃料电池系统的实施方式的示意图，其中在阳极处形成的二氧化碳经由熔融碳酸盐电解质传递至阴极。
图17是具有部分流通、部分流经阳极配置的熔融碳酸盐直接碳燃料电池系统的实施方式的示意图，其中在阳极处形成的二氧化碳经由熔融碳酸盐电解质传递至阴极。
图18是具有熔融碳电解质循环、碳燃料浆料循环、流通阳极配置、以及在液体载体中向阴极供应反应物的熔融碳酸盐直接碳燃料电池系统的实施方式的示意图。
具体实施方式
在下面的描述中，阐述了具体细节，以便提供对本公开的更彻底的理解。然而，可以在没有这些细节的情况下实践本公开。在其他实例中，未详细示出或描述众所周知的方面或特征以避免不必要地模糊本发明。因此，说明书和附图应被认为是说明性的，而不是限制性的。
用于多个MC-DCFC电池的共用电解质贮存器的用途
传统的MCFC采用被夹带在夹在阳极与阴极之间的隔膜基质中的捕获电解质。在图2所示的示例性燃料电池组件200中，电解质夹带在多孔基质中，诸如，介于阳极与阴极之间的镍泡沫。这种电池/堆设计有助于双极配置，其中电流从电池到电池的整个平面(而不是经由边缘连接)串联传递。将固体电解质注入多孔基质中并且密封到电池中。当加热至工作温度时，共晶电解质(熔融碳酸盐)熔融并且变成离子导电的。通过调节阴极和阳极的孔隙率将夹带的电解质捕获在多孔基质中以确保离子可以从阴极自由地行进至阳极，但是电解质不离开基质，即，电极的多孔结构使得气液边界得以维持。
在这种MCFC的正常操作期间，电解质会降解和/或缓慢逸出基质，需要频繁的维修和电解质修复。为了维修电解质，通常必须拆卸、翻新和重建MCFC堆。这增加了显著的和不期望的操作成本，这可能在工业规模上变得不可商业化。
此外，因为电解质被捕获在多孔基质中，所以它不能用作热交换流体。因此，堆冷却通常通过独立的传热介质流动和/或通过增加空气和CO2到阴极的流动来实现，使得这些气态反应物流也用于冷却。这些热管理方法可以增加燃料电池堆的资金和运行成本以及装置的平衡，并且可以增加阴极废气中稀CO2排放的量。
这些挑战中的一些或全部可以通过使用共用电解质来减轻，共用电解质可以在不拆卸堆的情况下递送至各个燃料电池和从各个燃料电池排出。这可以通过使用其中浸没燃料电池的共用电解质浴或贮存器，或者引导电解质从共用贮存器流向和流出各个燃料电池的流动路径设计来实现。可移动的或流动的电解质还可以用作冷却介质以在堆的操作期间从燃料电池去除热量。
因此，本技术的一方面涉及使用熔融碳酸盐(Li、Na或K熔融盐)电解质的共用贮存器。术语“共用贮存器”在此用于指在其中浸没多个电池电极的共用浴或容器，并且指其中电解质是MC-DCFC堆叠的电池之间的共享流体的配置，例如，在各个电池流场室经由集管或歧管从共用电解质贮存器馈送的情况下。具有共用电解质贮存器的MC-DCFC可以用于具有平面电池或管状电池的MC-DCFC。
电解质可以是用于将碳燃料输送或递送至阳极的相同流体。这种流体在此也被称为“碳燃料介质”或“碳载体流体”。在一些实施方式中，热管理(堆的加热或冷却)也由电解质提供，例如通过将其引导通过热交换器。在一些实施方式中，浴中的浸没加热器用于在启动时加热熔融碳酸盐电解质。
图3示出MC-DCFC系统300的实施方式，其包括包含熔融碳酸盐电解质304的贮存器302。电解质304使用循环泵310经由出口306从贮存器302循环至外部热交换器308。这允许去除由电化学DCFC反应产生并且被熔融电解质吸收的热量。将来自燃料供应源312的固体碳颗粒引入循环电解质中并且在混合器314中与电解质结合，并且然后作为碳浆料316(部分熔融碳酸盐电解质、部分固体碳燃料)递送至各个DCFC阳极318。图3中描绘的燃料电池可以表示具有管状或平面结构的燃料电池。碳浆料可以被递送至多孔管状阳极的内部圆柱形空腔或递送至布置在一对平面阳极之间的空腔。因此，在MC-DCFC系统300中，熔融电解质304还用作碳载体流体。混合器314可以是将碳颗粒结合并且夹带至熔融电解质(熔体)中并且促进碳颗粒的润湿的设备。例如，混合器314可以包括具有主动或被动搅动的料斗或罐、和/或集成的碳分离器，其中碳从其他工艺流(诸如，从热解器排出流)提取。
各个DCFC阳极318各自包括多孔电极，该多孔电极将碳浆料316与贮存器302中的电解质304分离。电极的孔隙率促进碳接触，足以促进碳燃料与阳极电接触并且与电解质离子接触的三相边界(TPB)位置处的电子的电化学交换。熔融碳酸盐作为碳载体流体帮助确保碳被润湿，这促进与电解质中的碳酸盐离子的接触。多孔阳极允许碳载体流体(MC)进入阳极，并且在这种情况下，通过阳极，并且用于从浆料中有效地捕集或过滤碳燃料。已经通过阳极的碳载体流体(MC)重新与贮存器302中的块体电解质304结合。在多孔阳极捕获的固体碳颗粒在氧化反应中被消耗，形成产物CO2气体，其积聚在电解质贮存器302的上部的顶部空间322中。在一些实施方式中，多孔阳极318的过滤功能可以由单独的过滤元件而不是电极本身来执行(例如，如图7B所示)。在一些实施方式中，如果燃料负载足够高，则碳浆料可以简单地在多孔阳极的表面上流动，而不通过阳极材料的厚度，即，处于“流经”配置而不是“流通”配置。下文提供了关于在DCFC阳极处过滤或浓缩碳浆料的进一步描述，包括参考图5、图7A和图7B。
产物CO2气体可以通过排气口324从容器顶部空间322排出，并且在325处分成两股流，一股DCFC排气流326和一股再循环流328，该再循环流经由再循环压缩机330与来自氧化剂供应源334的氧化剂流(如，空气或纯氧)一起循环至各个DCFC阴极332，用于碳酸酯形成反应。
可以使用加热器336对贮存器302中的电解质304进行预热。加热器可以是例如浸没式加热器、热交换器或贮存器302内或流体连接到贮存器302的另一罐或贮存器中的集成加热元件。
图4示出MC-DCFC系统400的实施方式，其中电解质是MC-DCFC堆的电池之间的共用流体，其中，在各个电池流体流场室经由共用集管或歧管从共用电解质储液器馈送的情况下。因此，在系统400中，熔融碳酸盐电解质和碳燃料浆料(再次电解质充当碳载体流体)通过电池水平流场室递送至电极，而是DCFC浸没在共同贮存器中，如在图3的系统300中。术语“流场室”在本文中用来指流体(诸如，电解质或反应物流)经由其被引导至和/或来自各个燃料电池或燃料电池电极的室或气室。流场室可选地包含离散的通道、流动通道、流动路径或用于引导流体流通过流场室的其他流动改进的特征。
图4示出DCFC堆内的单个单元电池401a，该DCFC堆包括串联电连接的多个燃料电池，如401b所示。通过流体流场室将反应物和熔融电解质递送至每个电池。
在此配置中，熔融碳酸盐电解质404在DCFC堆中的各个燃料电池中的每一个并行地馈送至电解质流场室402，并且接着使用循环泵405穿过外部热交换器408。在每个电池中，电解质流场室402允许循环电解质接触燃料电池阳极418和燃料电池阴极432两者。热交换器408允许去除由电化学DCFC反应产生并且由熔融电解质吸收的热量。在该实施方式中，电解质是用于提取在电化学反应期间产生的热的主要热流体。在系统400中的另一流动回路中，将来自燃料供应412的固体碳颗粒引入混合器414中并且与熔融碳电解质结合，并且使用循环泵410使所得碳/电解质浆料416(部分熔融碳酸盐电解质、部分固体碳燃料)与各个DCFC阳极418的阳极流场室419并行地循环。因此，在MC-DCFC系统400中，熔融电解质还用作碳载体流体。当浆料流经阳极流动时，在每个阳极流场室419内，固体碳与阳极418相互作用并且由熔融电解质输送的碳酸根离子在TPB位点处建立氧化反应。如果电池水平定向(如图4所示)或以其他方式适当地定向，则放出的CO2气体可以上升至流动的碳/电解质浆料上方的集管区域422中，并且产物CO2气体可以经由CO2排气口424排出。或者，可以用碳/电解质浆料从电池中取出产物CO2气体，并且然后在外部分离。后一方法可以消除对内部CO2集管的需要，并且电池可以不同地定向，例如垂直地定向。
经由CO2排气口424离开每个燃料电池的产物CO2气体可以在425处分成两股流，一股DCFC排出流426和一股再循环流428，其经由再循环压缩机430与来自氧化剂供应器434的氧化剂流(如，空气或纯氧)一起循环至每个单独的DCFC阴极432的阴极流场室433。
每个单元电池可以从共用集管或工艺容积被供应燃料浆料和电解质，使得系统中的多个或所有单元电池仅需要一个堆或系统大小的泵和热交换器。
图5示出MC-DCFC系统500的实施方式，该MC-DCFC系统类似于图4所示的系统400，但是其中结合了碳浆料和电解质电路，并且该系统具有流通阳极配置，而不是流经阳极配置。图5示出DCFC堆内的单个单元电池501a，该DCFC堆包括串联电连接的多个燃料电池，如501b所示。这些反应物和熔融电解质再次通过流体流场室被递送至每个电池。
在这种配置中，将来自燃料供应源512的固体碳颗粒引入混合器514中并且与熔融碳电解质结合，并且使用循环泵510使所得碳/电解质浆料516(部分熔融碳酸盐电解质、部分固体碳燃料)并行地循环至位于各个DCFC的阳极518与阴极532之间的流场室519。流场室519是死端的，使得来自浆料的电解质被推动或迫使通过多孔阳极518进入电解质返回室502，如由弯曲箭头所示。来自浆料的碳通过在TPB位点的氧化反应在多孔阳极518处被捕获和消耗。已经通过阳极(在一些情况下可以是基本上不含碳的)的电解质可以通过使它循环通过热交换器508来冷却，在混合器514处添加更多的碳并且再循环回至各个DCFC的流场室519。
在系统500中，电解质用作碳载体流体，并且还可以是用于提取在电化学反应期间产生的热的主要热流体。如果电池水平定向(如图5所示)或以其他方式适当地定向，则放出的CO2气体可以上升至电解质返回室502上方的集管区域或室522中，并且产物CO2气体可以经由CO2排气口524排出。或者，可以用电解质从电池中取出产物CO2气体，并且然后在外部分离。后一方法可以消除对内部CO2集管的需要，并且电池可以不同地定向，例如垂直地定向。
经由CO2排气口524离开集管区域或室522的产物CO2气体可在525处分成两股流，一股DCFC排出流526和一股再循环流528，其经由再循环压缩机530与来自氧化剂供应534的氧化剂流(如，空气或纯氧)一起循环至每个单独的DCFC阴极532的阴极流场室533。
因此，如在图3的系统300中，在图5的系统500中，多孔阳极允许碳载体流体(MC)通过阳极，其中阳极有效地从浆料捕获或过滤碳燃料。然而，不同于系统300，在系统500中，浆料也与阴极接触。如果期望的话，可以通过过滤器或适当的维护程序将确实穿过阳极的积聚的细碳粉尘从电解质中去除。将燃料引入阳极与阴极之间的区域是非常规的并且通常只能在低碳浓度下容忍，否则阴极处的碳氧化和导电颗粒产生的泄漏电流会引起问题。在阴极的碳氧化是化学反应，它可以产生额外的热量并且降低电池的净效率。在优选的电化学反应中，夹带在电解质流中并且被引导至阳极的低浓度的碳将优先氧化，而不是通过在阴极用溶解的O2进行化学氧化，这在动力学上较慢。
图4示出具有流经阳极配置的实施方式，并且图5示出了类似MCDCFC系统的实施方式，但是具有流通阳极配置。类似的MC-DCFC系统可以被配置为使得仅燃料浆料的一部分被迫穿过阳极，使得它被阳极过滤并且一些碳载体流体(MC)穿过阳极，并且燃料浆料的剩余部分流过与阳极接触的阳极。可以在燃料浆料流动回路中使用流动限制件(诸如，背压设备)来迫使来自浆料的一些电解质穿过多孔阳极进入电解质返回室中，同时允许浆料的一些流过阳极同时仍接触阳极。流动限制可以是可调节的，以允许控制流通与流经的比率。这种“混合”配置可以提供优点。例如，使一些通过阳极的流动浓缩或增加阳极附近的浆料中的碳负载，同时允许在正在循环的整个散装燃料浆料中使用较低的碳负载。这降低浆料的粘度和电导率，这通常是有利的，并且还可以意味着大量燃料浆料的流速可以具有足够的速率以提供足够的热量去除。在一些混合系统实施方式的操作中，燃料浆料中高达约5％的碳载体流体通过阳极。在一些混合系统实施方式的操作中，燃料浆料中高达约10％的碳载体流体通过阳极。在一些混合系统实施方式的操作中，燃料浆料中高达约25％的碳载体流体通过阳极。在一些混合系统实施方式的操作中，燃料浆料中高达约50％的碳载体流体通过阳极。在一些混合系统实施方式的操作中，燃料浆料中高达约75％的碳载体流体通过阳极。
在图4和图5所示的系统中，燃料电池示出为具有平面配置，但是所描述的技术可以容易地适于应用于具有管状配置的MC-DCFC。
碳燃料浆料管理和阳极结构
因为DCFC中的燃料是固体颗粒的形式，而不是气体或液体的形式，在燃料电池阳极处实现反应位点或三相边界(TPB)位点更加具有挑战性。事实上，与燃料本身的表面体积相比，碳与电极电接触并且与电解质和碳酸根离子同时离子接触的接触表面积通常非常小。确保燃料床内的电渗滤(即，导电颗粒到颗粒的路径)，与电极集电器的充分接触以及与碳酸根离子的接触是实现商业上可行的DCFC的相当大且公认的挑战。
如图6所示，TPB在碳颗粒被适当地用熔融碳酸盐电解质润湿并且与电路径接触以完成电化学反应时发生。在不存在电接触的情况下，放出的CO2可以与碳反应形成CO(通过反向Boudouard反应)，这可能不利地影响电池效率并且可能导致CO2产物气体中CO的稀排放。通过调整燃料流动路径和电池几何形状以增加碳电极接触的可能性，可以减轻用固体燃料建立TPB位点的挑战。
为了促进电解质润湿和离子转移，可以使用离子载体流体(诸如，熔融碳酸盐)来润湿燃料并且增强离子电导率，并且载体流体还可以用于将固体燃料“流动”至各个电池作为浆料，如参考在上面的图3至图5中示出的MC-DCFC系统所描述。虽然碳载体流体有助于将碳颗粒递送至各个电池电极并且允许碳被机械地迫使与电极接触，但是确保同时的电接触和离子接触仍然是在工业规模上实现实际性能的重大挑战。使碳悬浮或夹带在熔融载体(诸如，低共熔熔融碳酸盐熔体)中不能保证碳将与电极电接触。增加载体流体中碳的负载或浓度增加浆料的电导率，并且可以增加实现必要的电接触的机会，但是如果浆料和电解质回路混合，它还可以增加从电池到电池的泄漏电流的可能性。它还增加了碳浆料的粘度，这可能产生其他相关的挑战。例如，在具有共用贮存器配置的MC-DCFC系统中(如图3至图5所示)，高碳负载可以增加系统中的压降，以及由于其较高的粘度而增加循环流体所需的相关泵送负载。
在图3中示出的MC-DCFC系统300中，碳/电解质浆料被供应至各个DCFC阳极。这些阳极包括多孔电极，该多孔电极允许碳载体流体(MC)穿过阳极，从而有效地捕获或过滤来自浆料的碳燃料。这种配置在图7A中详细示出，其中，使用相同的附图标记来表示与图3中相同的元件。图7A示出单个DCFC单元电池701a。碳颗粒被捕获在阳极室中并且形成填充颗粒床，该填充颗粒床通过MC载体流体的流动而被迫进入阳极。这有助于机械地迫使碳与电极接触，有助于建立TPB位点并且促进碳的电化学氧化的条件。阳极室中的碳浆料的电导率随着碳:MC比率的增加而增加，从而帮助将电化学反应区从电极的表面延伸至浆料中。这种电渗滤可以帮助改进反应物质传输并且能够实现更高的电流密度操作。通过多孔电极的MC燃料载体流体被耗尽或剥离碳燃料，并且因此它返回到对于电解质功能而言优选的较低导电状态。如果电解质在单元电池之间或在阳极与阴极之间保持高度导电的介质，这可能导致短路或泄漏电流，这倾向于降低电池性能。因此，阳极的过滤或浓缩功能用于在阳极处提供更导电的碳/电解质浆料，并且在电解质浴中提供更不导电的(或不导电的)电解质。
如上所描述，在一些实施方式中，DCFC阳极的过滤功能可以由单独的过滤元件而不是电极本身来执行。例如，图10示出DCFC单元电池701b，其为图7A的单元电池的变型，并且可以在诸如图3的系统300的MC-DCFC系统中使用。在图7B中，相同的参考标号用于指定与图3中相同的元件。在DCFC 701b中，代替通过多孔阳极本身过滤碳/电解质浆料，可以使用流动限制元件750(诸如，多孔膜或过滤器)来提供浆料的过滤以及在阳极处的碳颗粒填充。方法具有的益处是，流动限制元件可以被设计为(和选择的材料)适于提供背压和过滤的主要或唯一目的，而不必执行电化学功能。这可以使得流动限制元件能够针对压力条件、流速和期望的过滤孔隙度来定尺寸，并且阳极材料能够针对其电化学性能和其他期望的特性来选择。
连同定制燃料流动路径以帮助将碳递送到阳极，碳颗粒形态还影响建立TPB位点的容易性。如果碳粒径和形状不与多孔电极的拓扑结构适当地匹配，则TPB位点可能是有限的。即使碳颗粒和孔的尺寸最初匹配，随着碳在电极处被消耗，碳颗粒的形态和尺寸改变(例如，颗粒尺寸随着碳被消耗而减小)。当这发生时，较小的颗粒可以简单地穿过多孔电极而不建立电化学接触。为了缓解这个问题，在熔融碳酸盐浆料中的碳颗粒流动的背景下，可以使用具有分级孔结构(例如，具有贯穿材料厚度的减小的孔尺寸)的电极，使得更小的颗粒仍然被电极捕获，甚至当消耗碳时。
孔隙结构在整个阳极的厚度上可能存在渐变，或者孔隙结构在整个阳极的厚度上可能存在阶梯式变化，例如，如在图8中所示的多层阳极中。
图8示出多层阳极复合阳极800(其中每个离散层具有不同的孔尺寸、孔密度和/或孔隙度(随着在流动方向上增加的流动阻力))可以增强碳反应位点(作为TBP)的建立。当碳浆料810穿透阳极800时，碳颗粒820a被捕集在第一多孔阳极层830a中，并且在碳颗粒820a被移出且流入具有小于第一阳极层830a的孔尺寸的第二阳极层830b中之前，碳颗粒820a可以部分地被层830a中的电化学反应消耗。较小的碳颗粒820b被捕获，并且在被移开并流入一个或多个后续阳极层(指定为830n)之前可以被层830b中的电化学反应部分消耗，该阳极层具有依次更小的孔，其中用电解质润湿的较小碳颗粒820n与电极接触以建立进一步的TPB反应位点。这个过程继续直到细的碳残留物825通过多层阳极800以在熔融电解质中再循环。具有分级孔隙率的阳极可以通过产生具有独特孔径的离散层的复合多层阳极而产生，如图8所示，或可以使用产生贯穿阳极材料厚度的可变孔径的制造工艺而产生为单片结构。
这些多层或分级电极结构可以应用于流通阳极配置(诸如，图3和图5所示)和流经阳极配置(诸如，图4所示)。在流经配置中，颗粒被流动压力吸入阳极，并且不同尺寸的颗粒在它们被过滤通过阳极的分级孔隙率时产生TPB部位。
图9示出多层阳极900(类似于图8的阳极800)的前两层的不同(分解)视图。当具有比层930a中的孔径更大的孔径的碳颗粒920a被捕获并且不能穿过时，TPB位点940在第一多孔层930a中产生。随着碳在层930a中的电化学氧化反应中被消耗，碳颗粒变得更小，并且可能移走并且继续流向第二阳极层830b，该第二阳极层具有捕获这些更小的碳颗粒920b的更细的孔，再次形成可能发生反应的TPB部位，等等。
不管是平面的还是管状的，阳极通常是薄结构(例如，0.5mm至5mm厚)，并且可能需要结构支撑以承受与流通配置或流经配置相关联的交叉压力。图10示出复合多层平面阳极1000，其包括多孔电极层1020和结构支撑层1030，该结构支撑层可以是导电的并且还用作阳极集电器。结构支撑层1030也可以是多孔的或穿孔的，以允许电解质流过阳极的厚度，例如，在流通配置中。在一些实施方式中，双极板可以用作阳极的结构支撑层，并且可选地用作集电器和/或流场板(例如，具有形成在其中的通道或凹槽)。在一些实施方式中，结构支撑构件被结合在多孔阳极内(例如，作为内层)，代替一个或两个主表面或在一个或两个主表面上。在一些实施方式中，结构支撑物由与阳极相同的材料制成，仅具有不同的结构(例如，不同的孔隙度)。在一些实施方式中，结构支撑构件包括支撑杆(内部或外部)或另一结构，而不是板或层。
DCFC中CO2产物气体的管理
在该部分中，描述和讨论了与上述类似的MC-DCFC系统的一些示例性实施方式，以及其上的一些变型，特别是参考产物CO2气体的管理和电解质的流动。
随着碳被氧化和产物CO2气体放出，它可以在阳极(例如在TPB位点)产生气泡或分散回馈送至阳极的碳浆料中。在TPB位点处CO2气泡的存在和释放可以防止氧离子接触碳和阳极电极，导致局部反应物缺乏和降低的电池电压和效率。因此，通常期望限制或避免发泡的CO2产物气体进入阴极与阳极之间的电解质界面。产物CO2气体也可以在升高的温度下与碳反应以形成CO，其通常作为产物气体的成分是不期望的。因此，还期望限制或避免显著的CO2/碳停留时间，在此期间可以通过反向Boudouard反应发生气化以形成CO。沿优选过程从反应位点有效除去CO2产物气体可以有助于减轻这些不期望的问题，并且促进所需的电化学反应。
图11是MC-DCFC系统1100的示意图，该MC-DCFC系统类似于图5中所示的系统500，其中碳浆料和电解质电路被结合并且碳浆料被引入阳极与阴极之间的区域中。系统1100被示出用于单个电池，但是应当理解，它可以是包括多个DCFC的系统，这些DCFC被串联地电连接并且被并行地馈送有各种工艺流。在系统1100中，将来自燃料供应1112的固体碳颗粒引入混合器1114中并与熔融碳电解质结合，并且使用循环泵1110将所得碳/电解质浆料1116递送至阳极1118与阴极1132之间的流场室1119。流场室1119是死端的，使得来自燃料浆料的电解质被推动或迫使通过多孔阳极1118进入电解质返回室1102中。来自浆料的碳在多孔阳极1118处被捕获和消耗。已经通过阳极的电解质可以任选地在热交换器(未在图11中示出)中冷却，在混合器1114处添加更多的碳，并且再循环回到流场室1119。
系统1100中的流动路径促使在阳极处作为碳氧化反应的副产物产生的CO2穿过多孔阳极1118，而不是鼓泡通过室1119中的碳浆料。这种定向夹带可以用于各种目的。例如，它可以减少或消除阳极与阴极之间的电解质中CO2气泡的存在，否则可能导致局部离子匮乏和电压不稳定，它可以帮助确保产物CO2气体不会渗透通过碳燃料床，否则碳气化可以通过反向Boudouard反应发生。产物CO2气体可以上升到电解质返回室1102中的集管区域1120中，并且然后从燃料电池排出。然后，一部分CO2可以循环到阴极用于阴极碳酸盐形成反应。在系统1100中，产物CO2气体在1125处被分成两股流，一股DCFC排出流1126和一股再循环流1128，其经由再循环压缩机1130与氧化剂流(如空气或纯氧)一起循环至阴极流场室1133。未反应的CO2气体可以在排气口1144处从阴极流场室1133排出。
图11还示出了可选的阴极保护屏障1160，该阴极保护屏障可以用于保护阴极免受燃料浆料中的碳颗粒的影响，以减轻阴极处的碳颗粒的潜在氧化，否则该潜在氧化可能导致增加的热生成和降低的电池效率。阴极保护屏障1160可以充当局部绝缘体以减少或防止腔室1119中的碳/电解质浆料中夹带的固体碳颗粒与阴极电接触。这种保护屏障可以结合到本文所描述的任何实施方式中，其中碳/电解质浆料如果被供应至位于阳极与阴极之间的区域或室。下面参考图14进一步详细描述这种阴极保护屏障的示例性实施方式。
图12是MC-DCFC系统1200的示意图，该MC-DCFC系统类似于图11所示的系统1100，除了不是来自碳/电解质浆料的所有电解质都循环通过多孔阳极的厚度。系统1200具有混合的流通/流经阳极配置。系统1200被示出用于单个电池，但是再次应当理解，它可以是包括多个DCFC的系统，这些DCFC被串联地电连接并且被并行地馈送有各种工艺流。在系统1200中，将来自燃料供应器1212的固体碳颗粒引入混合器1214中并且与熔融碳电解质结合，并且使用循环泵1210使所得碳/电解质浆料1216循环至阳极1218与阴极1232之间的流场室1219。浆料通过与多孔阳极1218接触的腔室1219。一些浆料渗透阳极，并且来自浆料的碳在阳极被捕获和消耗。穿过阳极1218的电解质进入电解质返回腔室1202。电解质浆料的其余部分(具有耗尽的碳负载)在出口1206处离开流场室1219并且在1238处与来自返回室1202的电解质结合。合并的电解质流可以在热交换器1208中冷却，在混合器1214处添加更多的碳，并且再循环回到流场室1219。
通过出口1206的电解质(浆料)相对于通过阳极1218并且进入电解质返回室1202的流动的比率可以在一定程度上由阳极孔隙度控制。流动限制件1240也可以位于主电解质回路中，例如，以确保在阳极上有足够的压降以迫使碳颗粒到达TPB位点并且将产物CO2冲洗到返回室1202中的(基本上)无碳的电解质滑流中。流动限制件1240可以是被动孔口限制件、主动背压调节器或类似的或其他合适的设备。在其他实施方式中，通过出口1206的电解质(浆料)相对于通过阳极1218并且进入电解质返回室1202的流动的比率可以通过具有两个独立的泵和流动路径来进一步控制，例如，如图13所示。
在某种程度上，系统1200的配置使得两个电解质流动流功能能够去耦：(1)碳颗粒的“滑流”递送至阳极，(2)将产物CO2气体夹带离开碳床并且电解质的本体流作为热交换介质。在所示出的实施方式中，来自返回腔室1202的电解质和来自流场室1219的块体电解质(耗尽的浆料)流在热交换器1208的上游被重新结合。可以理解，这些流可以在热交换器的下游合并，保持独立或以其他方式配置成实现每个流的所需目标。
产物CO2气体可以上升至集管区域1220中，进入电解质返回室1202，并且从燃料电池排出。然后，一部分CO2可以循环到阴极用于阴极碳酸盐形成反应。在系统1200中，产物CO2气体在1225处被分成两股流，一股DCFC排出流1226和一股再循环流1228，其经由再循环压缩机1230与氧化剂流(如空气或纯氧)一起循环至阴极流场室1233。未反应的CO2气体可以在排气口1244处从阴极流场室1233排出。
在类似实施方式中，通过阳极电解质流和块体电解质冷却介质流之间的流速可以通过具有控制每个路径中的流量的独立泵来实现。例如，图13是MC-DCFC系统1300的示意图，其类似于图12中示出的系统1200，并且再次具有混合流通/流经阳极配置。系统1300被示出用于单个电池，但是再次应当理解，它可以是包括多个DCFC的系统，这些DCFC被串联地电连接并且被并行地馈送有各种工艺流。在系统1300中，将来自燃料供应源1312的固体碳颗粒引入混合器1314中并且与熔融碳电解质结合，并且所得碳/电解质浆料1316通过第一循环泵1305循环至阳极1318与阴极1332之间的流场室1319。同样，一些浆料渗透阳极，并且来自浆料的碳在阳极被捕获和消耗。穿过阳极1318的电解质进入电解质返回室1302，在混合器1314处添加更多的碳，并且通过第一循环泵1305再循环回到流场室1319。具有耗尽的碳负载的电解质浆料的剩余部分在出口1306处离开流场室1319，并且通过第二循环泵1310循环通过热交换器1308。然后它与来自混合器1314的浆料结合并且再循环回到流场室1319。
第一再循环泵1305可以用于适当地调节阳极上的流量和压降，以确保适当的碳累积和CO2产物气体管理。第二再循环泵1310的流速可以被设定成在热交换器1308中提供所期望的热提取，例如，以维持优选的堆温度和/或跨燃料电池的堆的温度升高。这种类型的配置可以用来以工厂设备的额外平衡为代价引入额外的控制自由度。可选的流动限制1340还可定位在主电解质回路中，以提供对通过出口1306相对于通过阳极1318并且进入电解质返回室1302的电解质(浆料)的流动的进一步控制。
如以上参考图11所提及的，阴极保护屏障可以用于在此描述的各种MC-DCFC系统中的任一种中，这些系统在阳极与阴极之间具有碳浆料，以减轻在阴极处的碳颗粒的潜在氧化，这可能另外导致增加的热产生和降低的电池效率。图14示出定位在阴极1418与熔融碳酸盐浆料1416之间的这种阴极保护屏障1460的实施例，该熔融碳酸盐浆料在阳极1418与阴极1432之间的流场室中流动。阴极保护屏障1460可以充当局部绝缘体或屏蔽以减少或防止夹带在碳/电解质浆料中的固体碳颗粒与阴极电接触。保护屏障可以是例如微表面涂层或物理隔板，例如多孔毡，其维持碳/电解质浆料中的碳与阴极之间的特定间隔或距离。
CO2通过电解质输送至阴极
在典型的MCDCFC中，CO2与空气混合并且输送至阴极以完成阴极碳酸盐形成反应，如上文的方程式(1)所示。如在上述各种MC-DCFC系统中，可以分离在阳极处产生的一部分产物CO2并且引导至阴极以补充消耗的碳酸根离子并且继续整个反应。在化学计量的基础上，阴极将消耗在阳极处产生的CO2的2/3。过量的CO2可以添加或从阳极再循环，以在整个阴极反应区域上保持所需的CO2浓度(即，化学计量>1)。如果过量的CO2被供应至阴极，则与贫氧空气混合的未反应的CO2从电池中排出，导致温室气体(GHG)排放。消除这些排放物通常需要昂贵的CO2分离设备。
在本文描述的技术的另一方面，代替采用外部CO2再循环(从阳极到阴极)和所得的稀CO2阴极排气排放的电势，CO2可以替代地通过熔融碳酸盐电解质从阳极内部转移到阴极。
在图15示意性示出的MC-DCFC系统1500中，经由阳极碳氧化反应形成的产物CO2的一部分通过多孔阳极并且扩散到熔融碳酸盐电解质中。溶解的CO2通过扩散迁移到阴极，在那里它与氧离子结合以进行阴极反应，形成碳酸根离子(CO3 2-)。然后将碳酸根离子传导回穿过电解质到达阳极，在阳极处它们氧化固体碳，形成CO2。在熔融碳酸盐电解质中未被带到阴极的产物CO2从阳极排出，并且可以被收集并用于其他工艺中。以这种方式的操作不需要用气态氧化剂流将CO2输送至阴极，因此可以在不从阴极排出稀CO2的情况下操作这种系统。
图16更详细地示出了类似的实施方式。系统1600被示出用于单个电池，但是再次应当理解，它可以是包括多个DCFC的系统，这些DCFC被串联地电连接并且被并行地馈送有各种工艺流。在系统1600中，在阳极侧上，将来自燃料供应1612的固体碳颗粒引入混合器1614中并且与熔融碳电解质(作为碳载体流体)结合，并且使用循环泵1610以流经阳极配置将所得碳/电解质浆料1616循环至阳极流场室1619。浆料通过与多孔阳极1618接触的流场室1619。来自浆料的碳在阳极被捕获和消耗。在该实施方式中，由固体碳颗粒氧化产生的CO2以溶解形式从多孔阳极1618通过室1602中的电解质扩散到阴极1632，以与氧化剂结合形成碳酸根离子。氧化剂(如，氧或空气)经由氧化剂入口1642和氧化剂出口1644被递送至阴极1632并且从阴极1632排出。剩余的产物CO2在出口1656处与耗尽的浆料一起从电池中排出，并且在收集之前在分离器1652处与耗尽的浆料分离，用于随后的封存或用于其他商业方法中。然后在混合器1614处将另外的碳燃料添加到耗尽的浆料中，并且将浆料循环至流场室1619。使用第二循环泵1605使电解液1604在阳极与阴极之间循环通过腔室1602和热交换器1608。溶解的CO2和碳酸根离子仍然自由迁移穿过电解质，从阳极迁移到阴极，反之亦然，即使循环液体电解质。因为在阴极的氧化剂流中不需要CO2，所以在出口1644排出的阴极废气基本上不含CO2。
在图17中示意性地示出进一步实施方式。MC-DCFC系统1700类似于图13所示的系统1300，但是没有产物CO2外部循环至阴极。系统1700具有混合的流通/流经阳极配置。系统1700被示出用于单个电池，但是再次应当理解，它可以是包括多个DCFC的系统，这些DCFC被串联地电连接并且被并行地馈送有各种工艺流。在系统1700中，将来自燃料供应器1712的固体碳颗粒引入混合器1714中并且与熔融碳电解质结合，并且通过第一循环泵1705将所得碳/电解质浆料1716循环至阳极1718与阴极1732之间的电解质流场室1719。一些浆料渗透阳极，并且来自浆料的碳在阳极被捕获和消耗。穿过阳极1718的电解质进入电解质返回室1702，在混合器1714处添加更多的碳，并且通过第一循环泵1705再循环回到流场室1719。具有耗尽的碳负载的电解质浆料的剩余部分在出口1706处离开流场室1719，并且通过第二循环泵1710循环通过热交换器1708。然后它与来自混合器1714的浆料结合并且再循环回到流场室1719。
第一再循环泵1705可以用于适当地调节阳极上的流量和压降，以确保适当的碳累积和CO2产物气体管理。第二再循环泵1710的流速可以被设定成在热交换器1708中提供所期望的热提取，例如，以维持优选的堆温度和/或跨燃料电池的堆的温度升高。
将产物CO2从顶部空间1720抽出，并且将其中的一些溶解在夹带容器1752中的贫碳的熔融碳酸盐电解质中。剩余物耗尽用于随后的封存或输出至商业市场。溶解的CO2通过腔室1702中的循环碳/电解质浆料迁移至阴极1732以与氧化剂结合形成碳酸根离子，该碳酸根离子被传导回到阳极。该实施方式使得溶解的CO2能够夹带在电解质中，并且携带到电解质中的阴极，同时具有混合的流通/流经阳极配置。
应当明白，这里描述的实施方式能够以许多不同的方式来配置以实现相同的目的。例如，系统1700可以被配置为使得足够的产物CO2被夹带在阳极熔融碳酸盐返回室中的碳燃料载体中，并且然后通过混合转移到电解质中。而且，例如，可以修改诸如图11、图12和图13所示的系统实施方式，使得没有气态CO2到阴极的外部循环，但是使得CO2被夹带在电解质中并且经由块体电解质流输送至阴极。如图17所示。同样，CO2可以被夹带在阳极熔融碳酸盐回流室中的碳燃料载体中，可选地使用夹带容器以提供产物CO2额外夹带至电解质中。
用于DCFC的液体阴极
将反应物递送至较大MC-DCFC堆或系统内的单元电池的阳极和阴极需要到相关流场的流体界面。这对于燃料电池堆是常见的挑战，并且需要使用适当的管道、歧管和端口连接以确保适当的流和反应物被引导至正确的位置。必须提供足够的密封以确保某些流不会泄漏或混合。在MC-DCFC的情况下，由于高温、部件材料的不同热膨胀特性和腐蚀性环境，密封和接口的挑战进一步复杂化。
在本文所描述的系统中，MC-DCFC阴极反应物流通常为气体(空气或O2，通常具有添加的CO2)，阳极反应物流为液体MC燃料浆料。如果电解质被配置为如在此所描述的共用流体(而不是基质中的捕获电解质，如常规的那样)，那么电解质流动流也是流体。维持各种气体流场界面与液体流场界面之间的密封可能具有挑战性。如果所有流都是液体，则流体的微小交叉通常会是不成问题的，从而减小密封上的负担并且简化端口和歧管。
消除在MC-DCFC堆的每个单元电池中的气体/液体界面处提供密封的需要的方式是阴极反应物也经由液体载体、特别是经由熔融碳酸盐电解质递送。这种系统1800的实施方式示意性地示出在图18中。系统1800示出用于单个电池，但是再次理解的是，其可以是包括串联电连接并且并行地供应给各种工艺流的多个DCFC的系统。系统1800包括阳极1818、阴极1832。将来自燃料供应1812的固体碳颗粒引入混合器1814中并且与熔融碳电解质结合，并且使用循环泵1810使所得碳/电解质浆料1816(部分熔融碳酸盐电解质、部分固体碳燃料)循环至阳极1818与阴极1832之间的流场室1819。来自浆料的电解质通过多孔阳极1818进入电解质返回室1802。来自浆料的碳在多孔阳极1818处被捕获和消耗。已经通过阳极的电解质(在一些情况下可以是基本上不含碳的电解质)携带产物CO2气体，该气体在分离器1852处与电解质分离。然后在混合器1814处将更多的碳添加到循环的电解质中，并且将其再循环回到流场室1819。
在分离器1852分离的产物CO2气体可以在1825处分成两股流，一股排气流1826和一股再循环流1828，该再循环流与来自氧化剂供应1834的氧化剂(诸如，氧化剂或空气)一起在夹带式混合器1854中夹带至熔融碳酸盐电解质中，并且经由阴极反应物泵1830循环至阴极流场室1833，其中阴极反应物泵1830接触阴极1832。在不需要下游的夹带混合器的情况下，系统1800可以替代地被配置为使得足够的产物CO2被夹带在阳极熔融碳酸盐返回室1802中的碳燃料载体中。溶解的O2和CO2在阴极反应形成碳酸根离子，其被传导到阳极1818以氧化燃料浆料中的固体碳燃料颗粒。液体阴极方法可以用于本文所描述的MC-DCFC系统的各种配置和其他配置中。
可以夹带在液体阴极熔融碳酸盐流中的反应物的量是各种参数的函数，包括气体溶解度、温度和分压。为了维持燃料电池反应，必须设定流动条件(压力、温度和流速)以确保有足够的反应物供应。因此，液体阴极流动回路可以被加压并且以比其他反应物流和工作流体流更高的流速运行。
这种在液体载体(MC)中供应阴极反应物的方法可以与在此描述的各种其他方面和系统实施方式组合应用，并且还可以应用在传统的MC-DCFC系统中，例如其中熔融碳酸盐电解质被夹带在介于阳极与阴极之间的多孔基质中。
本文中示出的系统实施方式中的一些被示出为具有平面结构的燃料电池，并且一些被示出为具有管状结构的燃料电池。应当理解，本文所描述的技术和特征可以适于应用于具有平面、管状或其他架构的MC-DCFC。本文所示的系统实施方式中的一些具有流经阳极配置，一些具有流通阳极配置，并且一些具有混合的配置/流通阳极配置。应当理解，可以修改本文所描述的各种流经系统或流通系统，以提供混合的流经系统/流通系统。在本文描述的任何系统实施方式中，热交换器和辅助设备的位置可以在不同的位置。各种实施方式的特征可以不同的组合进行组合。
MC-DCFC在三代热解(TGP)系统和方法中的用途
本文所描述的MC-DCFC系统的实施方式可以集成到三代热解(TGP)系统和工艺中，其中天然气例如经由热解工艺转化为氢气和碳。在TGP系统中，所得碳副产物中的价值通过在MC-DCFC中将固体碳转化成电力以及转化成纯CO2气体而提取，该纯CO2气体可以被隔离或输出至其他工业过程。
术语的解释
除非上下文另外明确要求，否则贯穿本说明书和权利要求书：
·“包括”、“包含”等将以包括性的意义进行解释，而不是排他性或穷尽性的意义；也就是说，“包括但不限于”的意义；
·“联接”、“连接”、“耦接”或其任何变体意指两个或更多个元件之间的直接或间接的任何连接或耦接；元件之间的耦接或连接可以是物理的、逻辑的或其组合；
·当用于描述本说明书时，“本文中”、“上文”、“下文”、以及类似含义的词语应当是指本说明书作为整体，而不是指本说明书的任何具体部分；
·关于两个或更多个项目的列表，“或”包含词语的所有以下解释：列表中的任何项目、列表中的所有项目、以及列表中的项目的任何组合；
·单数形式“一个”、“一种”和“该”还包括任何适当的复数形式的含义。
在本说明书和任何所附权利要求(当存在时)中使用的指示诸如“竖直”、“横向”、“水平”、“向上”、“向下”、“向前”、“向后”、“向内”、“向外”、“竖直”、“横向”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶部”、“底部”、“下方”、“上方”、“下方”等方向的词语取决于所描述和示出的装置的具体取向。本文所描述的主题可以采取不同替代定向。因此，这些方向性术语不是严格定义的并且不应被狭义地解释。
其中部件(例如，基底、组件、设备、歧管等)在上文提及，除非另外指明，否则提及部件(包括提及“装置”)应被解释为包括执行所描述部件的功能(即，在功能上是等效的)的任何部件作为该部件的等效物，包括在结构上不等同于执行在此描述的所展示的示例性实施方式中的功能的所公开的结构的部件。
出于说明的目的，本文已描述系统、方法和装置的特定实施例。这些仅是实施例。本文提供的技术可以应用于除了上述示例系统之外的系统。在本公开的实践中，许多更改、修改、添加、省略和排列都是可能的。本公开包括对本领域技术人员来说显而易见的所描述的实施例的变化，包括通过以下方式获得的变化：用等效特征、元件和/或动作替换特征、元件和/或动作；对来自不同实施方式的特征、元件和/或动作进行混合和匹配；将来自如本文所描述的实施方式的特征、元件和/或动作与其他技术的特征、元件和/或动作组合；和/或从所描述的实施方式中省略组合特征、元件和/或动作。
虽然已经示出和描述了本公开的特定元件、实施方式和应用，但是应当理解，本公开不限于此，因为本领域技术人员可以在不背离本公开的范围的情况下进行修改，特别是鉴于上述教导。因此，旨在将以上所附权利要求和此后引入的权利要求解释为包括如可以合理推断的所有这样的修改、置换、添加、省略和子组合。权利要求书的范围不应受实施例中所陈述的优选实施方式限制，而是应给予与作为整体的描述一致的最广泛解释。

Claims (101)

1.一种直接碳燃料电池系统，包括：
多个燃料电池，每个燃料电池包括多孔燃料电池阳极和燃料电池阴极；
熔融碳酸盐电解质；
燃料供应装置，所述燃料供应装置用于使包含碳颗粒和碳载体流体的燃料浆料并行地流向所述燃料电池阳极，其中，所述碳载体流体具有与所述熔融碳酸盐电解质相同的组成；
氧化剂供应装置，所述氧化剂供应装置用于使含氧流并行地流向所述燃料电池阴极；以及
电解质循环装置，所述电解质循环装置用于使所述熔融碳酸盐电解质与所述多个燃料电池中的每一个燃料电池接触地循环，
其中，在所述直接碳燃料电池系统生成电力的操作期间，碳在所述燃料电池阳极处氧化以产生二氧化碳，并且在所述燃料电池阴极处氧和二氧化碳反应以产生碳酸根离子。
2.根据权利要求1所述的直接碳燃料电池系统，其中，所述电解质循环装置被配置为使所述熔融碳酸盐电解质并行地循环通过所述多个燃料电池中的每一个燃料电池。
3.根据权利要求2所述的直接碳燃料电池系统，其中，所述燃料电池中的每一个燃料电池还包括介于所述燃料电池阳极与所述燃料电池阴极之间的电解质流场室，并且所述电解质循环装置还被配置为使所述熔融碳酸盐电解质并行地循环通过所述电解质流场室。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的直接碳燃料电池系统，其中，所述燃料电池中的每一个燃料电池还包括阳极流场室。
5.根据权利要求4所述的直接碳燃料电池系统，其中，所述燃料供应装置被配置为使所述燃料浆料并行地循环通过所述阳极流场室，使得所述燃料浆料接触所述燃料电池阳极，并且其中，所述燃料电池中的每一个燃料电池还包括介于所述燃料电池阳极与所述燃料电池阴极之间的电解质流场室，并且所述电解质循环装置被配置为使所述熔融碳酸盐电解质并行地循环通过所述电解质室。
6.根据权利要求4或5所述的直接碳燃料电池系统，其中，所述燃料供应装置被配置为使所述燃料浆料并行地流至所述阳极流场室，由此在所述多个燃料电池中的每一个燃料电池中，所述燃料浆料被推进至所述多孔燃料电池阳极中，使得所述碳颗粒中的至少一些碳颗粒接触所述多孔燃料电池阳极并且所述碳载体流体中的至少一些碳载体流体穿过所述多孔燃料电池阳极的厚度。
7.根据权利要求6所述的直接碳燃料电池系统，其中，从所述燃料浆料供应至每个阳极流场室的基本上全部的所述碳载体流体穿过对应的所述多孔燃料电池阳极的厚度。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的直接碳燃料电池系统，其中，所述燃料电池中的每一个燃料电池还包括介于所述燃料电池阳极与所述燃料电池阴极之间的电解质流场室，并且所述燃料供应装置被配置为使所述燃料浆料并行地流至所述电解质流场室中。
9.根据权利要求8所述的直接碳燃料电池系统，其中，所述燃料供应装置被进一步配置为使所述燃料浆料循环通过所述电解质流场室，由此在所述多个燃料电池中的每一个燃料电池中，所述燃料浆料被推进至所述多孔燃料电池阳极中，使得所述碳颗粒中的至少一些碳颗粒接触所述多孔燃料电池阳极，并且所述碳载体流体中的至少一些碳载体流体穿过所述多孔燃料电池阳极的厚度进入电解质返回室，并且所述碳载体流体中的至少一些碳载体流体经由相应的所述电解质流场室中的出口离开所述电解质流场室。
10.根据权利要求8所述的直接碳燃料电池系统，其中，所述燃料供应装置被进一步配置为使所述燃料浆料循环通过所述电解质流场室，由此在所述多个燃料电池中的每一个燃料电池中，所述燃料浆料被推进至所述多孔燃料电池阳极中，使得所述碳颗粒中的至少一些碳颗粒接触所述多孔燃料电池阳极，并且从所述燃料浆料供应至每个电解质流场室的基本上全部的所述碳载体流体穿过对应的所述多孔燃料电池阳极的厚度进入电解质返回室中，并且所述碳载体流体中的至少一些碳载体流体经由相应的所述电解质流场室中的出口离开所述电解质流场室。
11.根据权利要求9或10所述的直接碳燃料电池系统，其中，在所述燃料电池阳极处产生的至少一些二氧化碳产物气体迁移通过所述燃料电池阳极并且到达所述电解质返回室。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的直接碳燃料电池系统，其中，所述燃料供应装置包括燃料浆料循环装置，所述燃料浆料循环装置被配置为使已经穿过所述阳极的所述燃料浆料中的至少一些燃料浆料流出所述电解质返回室，并且其中，所述电解质循环装置被配置为将经由所述出口已经离开所述电解质流动室的所述碳载体流体中的至少一些碳载体流体与已经流出所述电解质返回室的所述燃料浆料中的至少一些燃料浆料结合。
13.根据权利要求12所述的直接碳燃料电池系统，其中，所述燃料浆料循环装置和所述电解质循环装置各自包括一个或多个泵，并且其中，所述一个或多个泵能够被配置为调节已经从所述电解质返回室流出的所述燃料浆料中的至少一些燃料浆料和经由所述出口已经离开所述电解质流动室的所述碳载体流体中的至少一些碳载体流体的相应流速。
14.根据权利要求3至13中任一项所述的直接碳燃料电池系统，其中，所述多个燃料电池中的每一个燃料电池还包括阴极保护屏障，所述阴极保护屏障介于所述燃料电池阴极与其邻近的电解质流场室之间。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的直接碳燃料电池系统，还包括：气体流动路径，所述气体流动路径用于将在所述燃料电池阳极处产生的至少一部分产物二氧化碳气体引导至所述燃料电池阴极。
16.根据权利要求15所述的直接碳燃料电池系统，还包括混合室，所述混合室在所述气体流动路径中，所述混合室用于将在所述燃料电池阳极处产生的所述至少一部分产物二氧化碳气体与空气结合以产生所述含氧流。
17.根据权利要求1至16中任一项所述的直接碳燃料电池系统，其中，不存在用于将气态二氧化碳从所述燃料电池阳极引导至所述燃料电池阴极的气体流动路径，并且在所述燃料电池阳极处产生的二氧化碳的至少一部分经由所述熔融碳酸盐电解质迁移至所述燃料电池阴极。
18.根据权利要求1至17中任一项所述的直接碳燃料电池系统，其中，所述含氧流是包含熔融碳酸盐电解质、氧、和在所述燃料电池阳极处产生的二氧化碳的液体流，并且其中，所述氧化剂供应装置包括夹带容器，所述夹带容器用于将氧和在所述燃料电池阳极处产生的二氧化碳夹带至所述熔融碳酸盐电解质中以产生所述含氧流。
19.根据权利要求1至18中任一项所述的直接碳燃料电池系统，还包括热交换器，其中，所述电解质循环装置被配置为进一步使所述熔融碳酸盐电解质循环通过所述热交换器的热侧。
20.根据权利要求1至19中任一项所述的直接碳燃料电池系统，其中，所述多个燃料电池至少部分地浸没在熔融碳酸盐电解质贮存器。
21.根据权利要求20所述的直接碳燃料电池系统，其中，所述直接碳燃料电池系统还包括在所述熔融碳酸盐电解质贮存器中用于加热所述熔融碳酸盐电解质的浸没式加热器。
22.根据权利要求20或21所述的直接碳燃料电池系统，还包括热交换器，其中，所述电解质循环装置被配置为使所述熔融碳酸盐电解质从所述熔融碳酸盐电解质贮存器循环通过所述热交换器的热侧并且返回至所述熔融碳酸盐电解质贮存器。
23.根据权利要求1至22中任一项所述的直接碳燃料电池系统，其中，所述燃料电池具有管状设计。
24.根据权利要求1至22中任一项所述的直接碳燃料电池系统，其中，所述燃料电池具有平面设计。
25.根据权利要求1至24中任一项所述的直接碳燃料电池系统，其中，所述多孔燃料电池阳极中的每一个多孔燃料电池阳极具有通过所述燃料电池阳极的厚度渐变的平均孔径。
26.根据权利要求25所述的直接碳燃料电池系统，其中，所述孔径在燃料浆料通过所述多孔燃料电池阳极的流动方向上连续地或逐步减小。
27.根据权利要求1至26中任一项所述的直接碳燃料电池系统，其中，所述多个多孔燃料电池阳极中的每一个多孔燃料电池阳极包括结构支撑构件，所述结构支撑构件用于为其相应的多孔燃料电池阳极提供结构刚度，并且任选地，其中，所述结构支撑构件用作其相应的多孔燃料电池阳极的集电器。
28.一种用于操作直接碳燃料电池系统以生成电力的方法，所述系统包括多个燃料电池，每个燃料电池包括多孔燃料电池阳极和燃料电池阴极，其中，所述方法包括：
将包含碳颗粒和碳载体流体的燃料浆料并行地供应至所述燃料电池阳极，其中，所述碳载体流体具有与所述熔融碳酸盐电解质相同的组成；
将含氧流并行地供应至所述燃料电池阴极；以及
使所述熔融碳酸盐电解质与所述多个燃料电池中的每一个燃料电池接触地循环，
由此碳在所述燃料电池阳极处被氧化以产生二氧化碳，并且
在所述燃料电池阴极处，氧和二氧化碳反应以产生碳酸根离子。
29.根据权利要求28所述的方法，其中，使所述熔融碳酸盐电解质与所述多个燃料电池中的每一个燃料电池接触地循环包括使所述熔融碳酸盐电解质并行地循环通过所述多个燃料电池中的每一个燃料电池。
30.根据权利要求28或29所述的方法，其中，所述燃料电池中的每一个燃料电池包括介于所述燃料电池阳极与所述燃料电池阴极之间的电解质流场室，并且使所述熔融碳酸盐电解质与所述多个燃料电池中的每一个燃料电池接触地循环包括使所述熔融碳酸盐电解质并行地循环通过所述电解质流场室。
31.根据权利要求28至30中任一项所述的方法，其中，所述燃料电池中的每一个燃料电池包括阳极流场室。
32.根据权利要求31所述的方法，其中，所述燃料电池中的每一个燃料电池还包括介于所述燃料电池阳极与所述燃料电池阴极之间的电解质流场室，并且其中，
将包含碳颗粒和所述碳载体流体的所述燃料浆料并行地供应至所述燃料电池阳极包括使所述燃料浆料并行地循环通过所述阳极流场室，使得所述燃料浆料接触所述燃料电池阳极；以及
使所述熔融碳酸盐电解质与所述多个燃料电池中的每一个燃料电池接触地循环包括使所述熔融碳酸盐电解质并行地循环通过所述电解质流场室。
33.根据权利要求31或32所述的方法，其中，将包含碳颗粒和所述碳载体流体的所述燃料浆料并行地供应至所述燃料电池阳极包括使所述燃料浆料并行地循环至所述阳极流场室，由此所述燃料浆料推进至所述多孔燃料电池阳极中，使得所述碳颗粒中的至少一些碳颗粒接触所述多孔燃料电池阳极并且所述碳载体流体中的至少一些碳载体流体穿过所述多孔燃料电池阳极的厚度。
34.根据权利要求33所述的方法，其中，从所述燃料浆料供应至每个阳极流场室的基本上全部的所述碳载体流体碳载体流体穿过对应的所述多孔燃料电池阳极的厚度。
35.根据权利要求28至34中任一项所述的方法，其中，所述燃料电池中的每一个燃料电池包括介于所述燃料电池阳极与所述燃料电池阴极之间的电解质流场室，并且其中，使所述熔融碳酸盐电解质与所述多个燃料电池中的每一个燃料电池接触地循环包括使所述燃料浆料并行地供应至所述电解质流场室中。
36.根据权利要求35所述的方法，其中，将包含碳颗粒和所述碳载体流体的所述燃料浆料并行地供应至所述燃料电池阳极包括使所述燃料浆料循环通过所述电解质流场室，由此在所述多个燃料电池中的每一个燃料电池中，所述燃料浆料被推进至所述多孔燃料电池阳极中，使得所述碳颗粒中的至少一些碳颗粒接触所述多孔燃料电池阳极，并且所述碳载体流体中的至少一些碳载体流体穿过所述多孔燃料电池阳极的厚度进入电解质返回室，并且所述碳载体流体中的至少一些碳载体流体经由所述相应的电解质流场室中的出口离开所述电解质流场室。
37.根据权利要求35所述的方法，其中，将包含碳颗粒和所述碳载体流体的所述燃料浆料并行地供应至所述燃料电池阳极包括使所述燃料浆料循环通过所述电解质流场室，由此在所述多个燃料电池中的每一个燃料电池中，所述燃料浆料被推进至所述多孔燃料电池阳极中，使得所述碳颗粒中的至少一些碳颗粒接触所述多孔燃料电池阳极，并且从所述燃料浆料供应至每个电解质流场室的基本上全部的所述碳载体流体通过所述相应的多孔燃料电池阳极的厚度。
38.根据权利要求35至37中任一项所述的方法，还包括使已经通过所述阳极的所述燃料浆料中的至少一些燃料浆料流出所述电解质返回室，以及将经由所述出口离开所述电解质流动室的所述碳载体流体中的至少一些碳载体流体与流出所述电解质返回室的所述燃料浆料中的至少一些燃料浆料结合。
39.根据权利要求38所述的方法，还包括调节已经从所述电解质返回室流出的所述燃料浆料中的至少一些燃料浆料和经由所述出口已经离开所述电解质流动室的所述碳载体流体中的至少一些碳载体流体的相应流速。
40.根据权利要求30至39中任一项所述的方法，其中，所述多个燃料电池中的每一个燃料电池还包括阴极保护屏障，所述阴极保护屏障介于所述燃料电池阴极与其邻近的电解质流场室之间。
41.根据权利要求28至40中任一项所述的方法，还包括将在所述燃料电池阳极处产生的产物二氧化碳气体的至少一部分引导至所述燃料电池阴极。
42.根据权利要求41所述的方法，还包括将在所述燃料电池阳极处产生的产物二氧化碳气体的至少一部分与空气结合以产生含氧流。
43.根据权利要求28至42中任一项所述的方法，其中，在所述燃料电池阳极处产生的所述二氧化碳的至少一部分经由所述熔融碳酸盐电解质迁移至所述燃料电池阴极，并且其中，气态二氧化碳不从所述燃料电池阳极供应至所述燃料电池阴极。
44.根据权利要求28至43中任一项所述的方法，还包括将所述含氧流制备为液体流，所述液体流包括熔融碳酸盐电解质、氧和在所述燃料电池阳极处产生的二氧化碳。
45.根据权利要求28至44中任一项所述的方法，还包括使所述熔融碳酸盐电解质循环通过热交换器的热侧。
46.根据权利要求28至45中任一项所述的方法，其中，所述多个燃料电池至少部分地浸没在熔融碳酸盐电解质贮存器。
47.根据权利要求46所述的方法，还包括使用浸没式加热器加热所述熔融碳酸盐电解质贮存器中的所述熔融碳酸盐电解质。
48.根据权利要求46至47中任一项所述的方法，还包括使所述熔融碳酸盐电解质从所述熔融碳酸盐电解质贮存器循环通过所述换热器的热侧并且返回至所述熔融碳酸盐电解质贮存器。
49.根据权利要求28至48中任一项所述的方法，其中，所述燃料电池具有管状设计。
50.根据权利要求28至48中任一项所述的方法，其中，所述燃料电池具有平面设计。
51.根据权利要求28至50中任一项所述的方法，其中，所述多个多孔燃料电池阳极中的每一个多孔燃料电池阳极具有通过所述燃料电池阳极的厚度渐变的平均孔径。
52.根据权利要求51所述的方法，其中，所述孔径在燃料浆料通过所述多孔燃料电池阳极的流动方向上连续地或逐步减小。
53.根据权利要求28至52中任一项所述的方法，其中，所述多个多孔燃料电池阳极中的每一个多孔燃料电池阳极包括结构支撑构件，所述结构支撑构件用于为其相应的多孔燃料电池阳极提供结构刚度，并且任选地，其中，所述结构支撑构件用作其相应的多孔燃料电池阳极的集电器。
54.一种直接碳燃料电池系统，包括：
多个燃料电池，每个燃料电池包括：
多孔阳极；
阴极；以及
在所述阳极与所述阴极之间的电解质流场室；
电解质循环装置，所述电解质循环装置用于使熔融碳酸盐电解质与所述燃料电池接触地循环，
燃料供应装置，所述燃料供应装置用于使包含碳颗粒的燃料浆料流至所述阳极；
氧化剂供应装置，所述氧化剂供应装置用于使含氧流流至所述阴极；其中，在所述直接碳燃料电池系统的操作期间：
在所述阳极处，所述碳颗粒的碳被氧化以产生二氧化碳产物气体；
所述二氧化碳产物气体中的至少一些经由所述电解质流场室从所述阳极流至所述阴极；以及
在所述阴极处，所述二氧化碳产物气体中的至少一些与所述含氧流的氧反应以产生碳酸根离子。
55.根据权利要求54所述的直接碳燃料电池系统，其中，所述燃料浆料还包含碳载体流体，所述碳载体流体包含所述熔融碳酸盐电解质中的至少一些。
56.根据权利要求54或55所述的直接碳燃料电池系统，还包括一个或多个气体流动路径，所述一个或多个气体流动路径用于使得在所述阳极处产生的所述二氧化碳产物气体中的至少一些能够流至所述阴极而不流经所述电解质流场室。
57.根据权利要求56所述的直接碳燃料电池系统，还包括在所述一个或多个气体流动路径中的至少一个混合室，其中，所述混合室用于将在所述阳极处产生的二氧化碳产物气体的至少一部分与空气结合以产生所述含氧流。
58.根据权利要求54或55所述的直接碳燃料电池系统，其中，所述直接碳燃料电池系统不包括用于使得在所述阳极处产生的所述二氧化碳产物气体中的至少一些能够流至所述阴极而不流经所述电解质流场室的任何气体流动路径。
59.根据权利要求54至58中任一项所述的直接碳燃料电池系统，其中，所述电解质循环装置被配置为使所述熔融碳酸盐电解质并行地循环通过所述燃料电池中的每一个燃料电池。
60.根据权利要求54至59中任一项所述的直接碳燃料电池系统，其中，所述电解质循环装置还被配置为使所述熔融碳酸盐电解质并行地循环通过所述电解质流场室。
61.根据权利要求54至60中任一项所述的直接碳燃料电池系统，其中，所述燃料电池中的每一个燃料电池还包括阳极流场室，并且其中，所述燃料供应装置被配置为使所述燃料浆料并行地循环通过所述阳极流场室，使得所述燃料浆料接触所述阳极。
62.根据权利要求61所述的直接碳燃料电池系统，其中，所述燃料供应装置被进一步配置为使所述燃料浆料并行地流至所述阳极流场室中，由此在所述燃料电池中的每一个燃料电池中，所述燃料浆料被推进至所述阳极中，使得所述碳颗粒中的至少一些碳颗粒与所述阳极接触。
63.根据权利要求54至62中任一项所述的直接碳燃料电池系统，其中，包含在所述燃料浆料中的碳载体流体中的至少一些或基本上全部碳载体流体穿过所述阳极的厚度进入电解质返回室，并且所述碳载体流体中的至少一些碳载体流体经由所述相应的电解质流场室中的出口离开所述电解质流场室。
64.根据权利要求63所述的直接碳燃料电池系统，其中，所述燃料供应装置包括燃料浆料循环装置，所述燃料浆料循环装置被配置为使已经穿过所述阳极的所述燃料浆料中的至少一些燃料浆料流出所述电解质返回室，并且其中，所述电解质循环装置被配置为将经由所述出口已经离开所述电解质流动室的所述碳载体流体中的至少一些碳载体流体与已经流出所述电解质返回室的所述燃料浆料中的至少一些燃料浆料结合。
65.根据权利要求64所述的直接碳燃料电池系统，其中，所述燃料浆料循环装置和所述电解质循环装置各自包括一个或多个泵，并且其中，所述一个或多个泵被配置为调节已经从所述电解质返回室流出的所述燃料浆料中的至少一些燃料浆料和经由所述出口已经离开所述电解质流动室的所述碳载体流体中的至少一些碳载体流体的相应流速。
66.根据权利要求54至65中任一项所述的直接碳燃料电池系统，其中，所述多个燃料电池中的每一个燃料电池还包括阴极保护屏障，所述阴极保护屏障介于所述阴极与其邻近的电解质流场室之间。
67.根据权利要求54至66中任一项所述的直接碳燃料电池系统，其中，所述含氧流是包含熔融碳酸盐电解质、氧以及在所述阳极处产生的二氧化碳的液体流，并且其中，所述氧化剂供应装置包括夹带容器，所述夹带容器用于将氧和在所述阳极处产生的二氧化碳夹带至所述熔融碳酸盐电解质中以产生所述含氧流。
68.根据权利要求54至67中任一项所述的直接碳燃料电池系统，还包括热交换器，其中，所述电解质循环装置被配置为进一步使所述熔融碳酸盐电解质循环通过所述热交换器的热侧。
69.根据权利要求54至68中任一项所述的直接碳燃料电池系统，其中，所述燃料电池至少部分地浸没在熔融碳酸盐电解质贮存器中。
70.根据权利要求69所述的直接碳燃料电池系统，还包括在所述熔融碳酸盐电解质储罐中用于加热所述熔融碳酸盐电解质的浸没式加热器。
71.根据权利要求69或70所述的直接碳燃料电池系统，还包括热交换器，其中，所述电解质循环装置被配置为进一步使所述熔融碳酸盐电解质从所述熔融碳酸盐电解质贮存器循环通过所述热交换器的热侧并且返回至所述熔融碳酸盐电解质贮存器。
72.根据权利要求54至71中任一项所述的直接碳燃料电池系统，其中，所述燃料电池具有管状设计。
73.根据权利要求54至71中任一项所述的直接碳燃料电池系统，其中，所述燃料电池具有平面设计。
74.根据权利要求54至73中任一项所述的直接碳燃料电池系统，其中，所述阳极中的每一个阳极具有通过阳极的厚度渐变的平均孔径。
75.根据权利要求74所述的直接碳燃料电池系统，其中，所述孔径在燃料浆料通过所述阳极的流动方向上连续地或逐步方式减小。
76.根据权利要求54至75中任一项所述的直接碳燃料电池系统，其中，所述多个阳极中的每一个阳极包括用于向其相应的阳极提供结构刚性的结构支撑构件，并且任选地，其中，所述结构支撑构件用作其相应阳极的集电器。
77.一种直接碳燃料电池系统，包括：
多个燃料电池，每个燃料电池包括：
多孔阳极；以及
阴极；
电解质循环装置，所述电解质循环装置用于使熔融碳酸盐电解质与所述燃料电池接触地循环，
燃料供应装置，所述燃料供应装置用于使包含碳颗粒的燃料浆料流至所述阳极；以及
氧化剂供应装置，所述氧化剂供应装置用于使液态含氧流流至所述阴极，其中，所述液体含氧流包含所述熔融碳酸盐电解质中的至少一些熔融碳酸盐电解质，
其中，在所述燃料电池的操作期间：
在所述阳极处，所述碳颗粒的碳被氧化以产生二氧化碳产物气体；以及
在所述阴极处，二氧化碳产物气体与所述液体含氧流的氧反应以产生碳酸根离子。
78.根据权利要求77所述的燃料电池，还包括夹带容器，所述夹带容器用于接收所述二氧化碳产物气体中的至少一些二氧化碳产物气体、氧、以及所述熔融碳酸盐电解质中的至少一些熔融碳酸盐电解质，并且用于将所述二氧化碳产物气体中的至少一些二氧化碳产物气体和所述氧夹带至所述熔融碳酸盐电解质中的至少一些熔融碳酸盐电解质中以便产生所述液体含氧流。
79.根据权利要求77或78所述的直接碳燃料电池系统，其中，所述燃料浆料还包含碳载体流体，所述碳载体流体包含所述熔融碳酸盐电解质中的至少一些。
80.根据权利要求77至79中任一项所述的直接碳燃料电池系统，其中，所述二氧化碳产物气体中的至少一些二氧化碳产物气体经由定位在所述阳极与所述阴极之间的电解质流场室从所述阳极流至所述阴极。
81.根据权利要求77至80中任一项所述的直接碳燃料电池系统，还包括一个或多个气体流动路径，所述一个或多个气体流动路径用于使得所述二氧化碳产物气体中的至少一些二氧化碳产物气体能够从所述阳极流至所述阴极。
82.根据权利要求81所述的直接碳燃料电池系统，其中，所述一个或多个气体流动路径不延伸通过定位在所述阳极与所述阴极之间的电解质流场室。
83.根据权利要求81或82所述的直接碳燃料电池系统，还包括在所述一个或多个气体流动路径中的至少一个混合室，其中，所述混合室用于将在所述阳极处产生的二氧化碳产物气体的至少一部分与空气结合以产生所述含氧流。
84.根据权利要求77至83中任一项所述的直接碳燃料电池系统，其中，所述电解质循环装置被配置为使所述熔融碳酸盐电解质并行地循环通过所述燃料电池中的每一个燃料电池。
85.根据权利要求77至84中任一项所述的直接碳燃料电池系统，其中，所述电解质循环装置被进一步配置为使所述熔融碳酸盐电解质并行地循环通过电解质流场室，其中，所述电解质流场室位于所述阳极与所述阴极之间。
86.根据权利要求77至85中任一项所述的直接碳燃料电池系统，其中，所述燃料电池中的每一个还包括阳极流场室，并且其中，所述燃料供应装置被配置为使所述燃料浆料并行地循环通过所述阳极流场室，使得所述燃料浆料接触所述阳极。
87.根据权利要求86所述的直接碳燃料电池系统，其中，所述燃料供应装置被进一步配置为使所述燃料浆料并行地流至所述阳极流场室中，由此在所述燃料电池中的每一个燃料电池中，所述燃料浆料被推进至所述阳极中，使得所述碳颗粒中的至少一些碳颗粒与所述阳极接触。
88.根据权利要求80至87中任一项所述的直接碳燃料电池系统，其中，包含在所述燃料浆料中的碳载体流体中的至少一些碳载体流体或基本上全部碳载体流体穿过所述阳极的厚度进入电解质返回室，并且所述碳载体流体中的至少一些碳载体流体经由所述相应的电解质流场室中的出口离开所述电解质流场室。
89.根据权利要求88所述的直接碳燃料电池系统，其中，所述燃料供应装置包括燃料浆料循环装置，所述燃料浆料循环装置被配置为使已经穿过所述阳极的所述燃料浆料中的至少一些燃料浆料流出所述电解质返回室，并且其中，所述电解质循环装置被配置为将经由所述出口已经离开所述电解质流动室的所述碳载体流体中的至少一些碳载体流体与已经流出所述电解质返回室的所述燃料浆料中的至少一些燃料浆料结合。
90.根据权利要求89所述的直接碳燃料电池系统，其中，所述燃料浆料循环装置和所述电解质循环装置各自包括一个或多个泵，并且其中，所述一个或多个泵被配置为调节已经从所述电解质返回室流出的所述燃料浆料中的至少一些燃料浆料和经由所述出口已经离开所述电解质流动室的所述碳载体流体中的至少一些碳载体流体的相应流速。
91.根据权利要求80至90中任一项所述的直接碳燃料电池系统，其中，所述多个燃料电池中的每一个还包括阴极保护屏障，所述阴极保护屏障介于所述阴极与其邻近的电解质流场室之间。
92.根据权利要求77至91中任一项所述的直接碳燃料电池系统，其中，所述含氧流是包含熔融碳酸盐电解质、氧以及在所述阳极处产生的二氧化碳的液体流，并且其中，所述氧化剂供应装置包括夹带容器，所述夹带容器用于将氧和在所述阳极处产生的二氧化碳夹带至所述熔融碳酸盐电解质中以产生所述含氧流。
93.根据权利要求77至92中任一项所述的直接碳燃料电池系统，还包括热交换器，其中，所述电解质循环装置被配置为进一步使所述熔融碳酸盐电解质循环通过所述热交换器的热侧。
94.根据权利要求77至93中任一项所述的直接碳燃料电池系统，其中，所述燃料电池至少部分地浸没在熔融碳酸盐电解质贮存器中。
95.根据权利要求94所述的直接碳燃料电池系统，还包括在所述熔融碳酸盐电解质储罐中用于加热所述熔融碳酸盐电解质的浸没式加热器。
96.根据权利要求94或95所述的直接碳燃料电池系统，还包括热交换器，其中，所述电解质循环装置被配置为进一步使所述熔融碳酸盐电解质从所述熔融碳酸盐电解质贮存器循环通过所述热交换器的热侧并且返回至所述熔融碳酸盐电解质贮存器。
97.根据权利要求77至96中任一项所述的直接碳燃料电池系统，其中，所述燃料电池具有管状设计。
98.根据权利要求77至96中任一项所述的直接碳燃料电池系统，其中，所述燃料电池具有平面设计。
99.根据权利要求77至98中任一项所述的直接碳燃料电池系统，其中，所述阳极中的每一个阳极具有通过阳极的厚度渐变的平均孔径。
100.根据权利要求99所述的直接碳燃料电池系统，其中，所述孔径在燃料浆料通过所述阳极的流动方向上连续地或逐步方式减小。
101.根据权利要求77至100中任一项所述的直接碳燃料电池系统，其中，所述多个阳极中的每一个阳极包括用于向其相应的阳极提供结构刚性的结构支撑构件，并且任选地，其中，所述结构支撑构件用作其相应阳极的集电器。
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