CN114243067B - 直接碳燃料电池 - Google Patents
直接碳燃料电池 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114243067B CN114243067B CN202111533475.3A CN202111533475A CN114243067B CN 114243067 B CN114243067 B CN 114243067B CN 202111533475 A CN202111533475 A CN 202111533475A CN 114243067 B CN114243067 B CN 114243067B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- anode
- carbon fuel
- fuel cell
- carbon
- cathode
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 205
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 202
- 239000000446 fuel Substances 0.000 title claims abstract description 150
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 78
- 238000002309 gasification Methods 0.000 claims abstract description 65
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims abstract description 25
- 239000002737 fuel gas Substances 0.000 claims abstract description 18
- 238000006722 reduction reaction Methods 0.000 claims abstract description 12
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 claims abstract description 10
- 230000009467 reduction Effects 0.000 claims abstract description 4
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 22
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 14
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims description 10
- 229910002076 stabilized zirconia Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052727 yttrium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- VWQVUPCCIRVNHF-UHFFFAOYSA-N yttrium atom Chemical compound [Y] VWQVUPCCIRVNHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910052772 Samarium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- QBYHSJRFOXINMH-UHFFFAOYSA-N [Co].[Sr].[La] Chemical compound [Co].[Sr].[La] QBYHSJRFOXINMH-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 239000003610 charcoal Substances 0.000 claims description 3
- 239000000571 coke Substances 0.000 claims description 3
- 229910002119 nickel–yttria stabilized zirconia Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910000859 α-Fe Inorganic materials 0.000 claims description 3
- CETPSERCERDGAM-UHFFFAOYSA-N ceric oxide Chemical compound O=[Ce]=O CETPSERCERDGAM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910000422 cerium(IV) oxide Inorganic materials 0.000 claims description 2
- KZUNJOHGWZRPMI-UHFFFAOYSA-N samarium atom Chemical compound [Sm] KZUNJOHGWZRPMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 238000003487 electrochemical reaction Methods 0.000 abstract description 8
- 238000012546 transfer Methods 0.000 abstract description 7
- MWUXSHHQAYIFBG-UHFFFAOYSA-N nitrogen oxide Inorganic materials O=[N] MWUXSHHQAYIFBG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 30
- 239000000047 product Substances 0.000 description 12
- 238000000034 method Methods 0.000 description 10
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 8
- 229910002091 carbon monoxide Inorganic materials 0.000 description 6
- 238000011161 development Methods 0.000 description 6
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 5
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 5
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 5
- 230000008569 process Effects 0.000 description 5
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N Methanol Chemical compound OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 3
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 3
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000003763 carbonization Methods 0.000 description 2
- 238000010531 catalytic reduction reaction Methods 0.000 description 2
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 2
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 2
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 description 2
- 239000002001 electrolyte material Substances 0.000 description 2
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 2
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 2
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 2
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 2
- 238000006479 redox reaction Methods 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 2
- 239000002028 Biomass Substances 0.000 description 1
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 description 1
- 239000010405 anode material Substances 0.000 description 1
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 239000007795 chemical reaction product Substances 0.000 description 1
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 1
- 239000003245 coal Substances 0.000 description 1
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 239000003344 environmental pollutant Substances 0.000 description 1
- 239000002803 fossil fuel Substances 0.000 description 1
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 description 1
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 229910000510 noble metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 231100000719 pollutant Toxicity 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
- 238000010792 warming Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
- H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
- H01M8/0612—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
- H01M8/0643—Gasification of solid fuel
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/002—Shape, form of a fuel cell
- H01M8/004—Cylindrical, tubular or wound
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
- H01M2008/1293—Fuel cells with solid oxide electrolytes
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
- Y02B90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02B90/10—Applications of fuel cells in buildings
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Inert Electrodes (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
本发明提供一种直接碳燃料电池，包括依次设置的碳燃料层、阳极、电解质及阴极，还包括阳极进排气室和阴极室，阳极进排气室设于碳燃料层背离阳极的一侧，阳极进排气室内通入有NO气体作为碳气化工质与碳燃料层发生碳气化反应，并产生包含燃料气体的气化产物；阴极室设于阴极背离电解质的一侧，阴极室内通入有空气，空气在阴极发生还原反应，阴极产生的还原产物经过电解质进入阳极，并与进入到阳极的燃料气体发生氧化反应。本发明通过将NO作为碳气化工质参与碳气化反应，能够提高碳气化反应速率，实现碳气化速率与传质速率、电化学反应速率的更优匹配，提高直接碳燃料电池的输出性能，促进直接碳燃料电池的高效、大规模利用。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体为一种直接碳燃料电池。
背景技术
随着现代文明的不断发展，人们对能源的依赖程度日益提高，化石能源供不应求，能源转型是时代发展所面临的必然趋势；同时，全球气候变暖的环境问题使得“低碳”成为能源转型中的关键目标。为实现能源可持续性利用、建立健全绿色低碳循环发展经济体系，目前迫切需要能源供给和消费侧的技术更新与升级。
燃料电池作为一种先进的能源转换设备，能够通过电化学反应直接将燃料中的化学能转化成电能，有着能量效率高、环境友好、易于模块化、无噪音、适应范围广等优点，有望在集中式发电、分布式发电、交通运输、应急备用电源等多种电力供应/消费场景中发挥巨大作用。
相比于其他类型的燃料电池，固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell，SOFC)有着全固态结构、反应动力学优异、无需贵金属催化剂、燃料灵活性高等不可替代的优点。得益于较高的工作温度(～800℃)和灵活的催化剂选用，SOFC不仅可以使用H2作为燃料来源，还可以使用CO、CH4、NH3、煤炭、生物质、废弃有机物等多种物质作为燃料。
通过SOFC利用固态碳燃料进行直接转化发电的技术被称为直接碳燃料电池(Direct Carbon Fuel Cell，DCFC)。由于固态碳燃料的特性，DCFC相比于利用H2等气态燃料发电的SOFC有着体积能量密度大、燃料来源广泛、成本较低等优点，相比于传统火力发电站等利用固态碳进行发电的技术，DCFC更是有着能量效率高、系统简单、易于模块化、环境友好等巨大优势，因此DCFC是一种极具发展潜力和市场前景的发电技术。
研究已经发现，决定DCFC输出性能的重要因素是碳气化过程的反应速率。目前在直接碳固体氧化物燃料电池(Direct Carbon-Solid Oxide Fuel Cell，DC-SOFC)中使用二氧化碳作为气化剂已被证明是可行的，但CO2与碳燃料在电池环境下的反应速率仍不够高，与传质速率、电化学反应匹配程度不好，从而限制了DCFC的输出功率性能。并且CO2辅助的DC-SOFC的工作温度通常很高，限制了互连材料的选择，导致催化剂颗粒在长期运行中变粗，导致DC-SOFC成本高、耐久性差。
发明内容
针对以上问题，本发明提供了一种直接碳燃料电池，通过采用NO作为碳气化工质，提高碳气化速率，提高直接碳燃料电池输出性能。
本发明提供一种直接碳燃料电池，包括依次设置的碳燃料层、阳极、电解质及阴极，还包括阳极进排气室和阴极室，阳极进排气室设于碳燃料层背离阳极的一侧，阳极进排气室内通入有NO气体作为碳气化工质与碳燃料层发生碳气化反应，并产生包含燃料气体的气化产物；阴极室设于阴极背离电解质的一侧，阴极室内通入有空气，空气在阴极发生还原反应，阴极产生的还原产物经过电解质进入阳极，并与进入到阳极的燃料气体发生氧化反应。
本发明通过将NO作为碳气化工质参与碳气化反应，相比较传统的采用CO2作为碳气化工质，能够提高碳气化反应速率，实现碳气化速率与传质速率、电化学反应速率的更优匹配，能够提高直接碳燃料电池的输出性能，促进直接碳燃料电池的高效、大规模利用，解决现有的直接碳燃料电池碳化速率低、限制直接碳燃料电池的输出性能的技术问题。另一方面，本发明的氮氧化物经过碳气化反应也能够转化为惰性气体N2，降低了氮氧化物对大气环境的污染，对于氮氧化物的较低排放发展有着积极意义。
本发明的可选技术方案中，阳极进排气室内还通入有作为碳气化工质的水蒸气。
根据该技术方案，NO与碳燃料层发生碳气化反应放出热量，水蒸气与碳燃料层发生碳气化反应吸收热量，NO与水蒸气共同参与碳气化反应，能够灵活、高效地调节直接碳燃料电池内的温度，优化直接碳燃料电池的热管理，提高直接碳燃料电池运行的稳定性；同时，在引入水蒸气后，水蒸气与碳燃料层反应的产物中包含H2这一扩散速率更快且电化学活性更高的组分，有利于进一步提升直接碳燃料电池的输出性能。
本发明的可选技术方案中，NO和水蒸气的气体流量为
50-500mL/min，空气的流量为50-500mL/min。
根据该技术方案，该空气流量能够保持直接碳燃料电池内的温度，避免空气流量过大导致直接碳燃料电池内热量流失，水蒸气的流量设置能够维持直接碳燃料电池内CO的浓度和NO反应速率，保证直接碳燃料电池的输出性能。
本发明的可选技术方案中，阳极所采用的的材料为Ni-YSZ，电解质为钇稳定氧化锆/钐掺杂氧化铈双层电解质，阴极所采用的材料为镧锶钴铁氧体。
本发明的可选技术方案中，碳燃料层为木炭、焦炭、活性炭中的一种或多种组合。
本发明的可选技术方案中，直接碳燃料电池为管状电池。
根据该技术方案，管状电池有利于保证直接碳燃料电池的密封性，从而防止直接碳燃料电池中的气体产物逸出，影响碳气化反应及氧化还原反应的发生。
本发明的可选技术方案中，碳燃料层与阳极之间设置有连通腔体，碳燃料层与阳极之间的距离为0-100μm。
根据该技术方案，有利于提高碳气化工质扩散的均匀性，提高碳气化反应的速率和均匀性。
本发明的可选技术方案中，燃料电池的反应温度为700℃-1000℃。
根据该技术方案，在该温度区间内，NO与碳燃料层反应生成CO的反应速率较高，有利于实现碳气化速率与传质速率、电化学反应速率的较优匹配，提高直接碳燃料电池的输出性能。
附图说明
图1为本发明实施方式中直接碳燃料电池的结构示意图。
图2是本发明实施方式中各个化学反应所处的位置分布示意图。
附图标记：
阴极1；阴极室11；阴极进气口111；阴极排气口112；阳极室2；碳燃料层21；阳极22；电解质23；阳极进排气室24；阳极进气口241；阳极排气口242；连通腔体25；顶板251；底板252；输出电压3。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
【第一实施方式】
请参阅图1所示，本发明提供一种直接碳燃料电池，包括依次设置的碳燃料层21、阳极22、电解质23及阴极1，还包括阳极进排气室24和阴极室11，阳极进排气室24设于碳燃料层21背离阳极22的一侧，阳极进排气室24内通入有NO气体作为碳气化工质与碳燃料层21发生碳气化反应，并产生包含燃料气体的气化产物，阴极室11设于阴极1背离电解质23的一侧，阴极室11内通入有空气，空气在阴极1发生还原反应，阴极1产生的还原产物经过电解质23进入阳极22，并与进入到阳极22的燃料气体发生氧化反应。
本发明通过将NO作为碳气化工质参与碳气化反应，相比较传统的采用CO2作为碳气化工质，能够提高碳气化反应速率，实现碳气化速率与传质速率、电化学反应速率的更优匹配，提高直接碳燃料电池输出性能，为直接碳燃料电池的应用拓宽了道路，促进直接碳燃料电池的高效、大规模利用，解决现有的直接碳燃料电池碳化速率低、限制直接碳燃料电池的输出性能的技术问题。
另一方面，氮氧化物是主要的大气污染物，广泛来源于化石燃料燃烧和农林废弃物燃烧，虽然目前某些发电厂和工业产生的氮氧化物可以通过选择性催化还原脱硝技术(selective catalytic reduction,SCR)过程转化为惰性N2，但这只是将其作为无污染的排放物来处理。本发明将氮氧化物作为直接碳燃料的碳气化工质，实现了氮氧化物的再利用，且本发明的氮氧化物经过碳气化反应也能够转化为惰性气体N2，降低了氮氧化物对大气环境的污染，对于氮氧化物的较低排放发展有着积极意义。
具体来说，本发明的第一实施方式中，直接碳燃料电池中发生以下反应：
阴极反应：0.5O2+2e-→O2- (1)
阳极反应：C+NO→CO+1/2N2 (2)
C+2NO→CO2+N2 (3)
CO+O2-→CO2+2e- (4)
C+CO2→2CO (5)
本发明直接碳燃料电池的反应过程为：向阴极室11通入空气，空气中的氧气在阴极1被还原为O2-，如反应方程式(1)所示，向阳极进排气室24内通入NO，NO与碳燃料层21发生碳气化反应，如反应方程式(2)所示，生成燃料气体CO；进一步地，本发明实施方式中，直接碳燃料电池的反应温度为700-1000℃，在该温度区间内，NO与碳燃料层21反应生成CO的反应速率较高，明显高于CO2的碳气化效率，实现碳气化速率与传质速率、电化学反应速率的较优匹配，提高直接碳燃料电池的输出性能；在具体的实施例中，采用NO作为碳气化工质后，直接碳燃料电池的功率密度在3000-4000瓦/平方米(W/m2)，而采用CO2作为碳气化工质的直接碳燃料电池的功率密度仅为1000瓦/平方米左右。本发明实施方式中，在800℃条件下，NO与碳燃料层21反应的主要产物是CO，同时有少量CO2产生，如反应方程式(3)所示。阴极1产生的O2-离子通过电解质23输送到阳极22，与进入到阳极22的燃料气体CO发生氧化反应，如反应方程式(4)所示，反应方程式(3)、(4)中产生的CO2均能够与碳燃料层21发生反应，生成直接碳燃料电池所需的燃料气体CO，如反应方程式(5)所示。
进一步地，本发明的优选实施方式中，阳极进排气室24具有阳极进气口241和阳极排气口242，阴极室11具有阴极进气口111及阴极排气口112。具体来说，阴极进气口111进入的为空气，空气中的氧气在阴极1发生还原反应，阴极排气口112排出的气体为空气，阴极进气口111、阴极排气口112的设置，能够便于空气的进入与排出，阴极室11可以提供阴极1发生还原反应的场所。阳极进气口241进入的是NO气体，阳极排气口242排出的是部分未完全利用的气体或者反应生成的气体，具体地，阳极排气口242排出CO、N2和CO2的混合气；阳极进气口241、阳极排气口242的设置能够便于碳气化工质的供给以及尾气的排出，通过设置阳极进排气室24为碳气化工质与碳燃料层21发生碳气化反应、以及氧化反应提供场所。
本发明的优选实施方式中，阳极22为Ni-YSZ(钇稳定氧化锆)材料阳极，电解质23为YSZ(钇稳定氧化锆)-钐掺杂CeO2(SDC)双层电解质，阴极为LSCF(镧锶钴铁氧体)材料阴极。
本发明的优选实施方式中，碳燃料层21为木炭、焦炭、活性炭中的一种或多种组合。不同类型的碳燃料均能够适用于本发明直接碳燃料电池进行发电(图1中标号3表示输出电压)，本发明直接碳燃料电池适用的碳燃料范围广泛。
本发明的优选实施方式中，直接碳燃料电池为管状电池。管状电池有利于保证直接碳燃料电池的密封性，从而防止直接碳燃料电池中的气体产物逸出，影响碳气化反应及氧化还原反应的发生。进一步地，管状电池的内径为12mm，外径为12.864mm，阳极22的厚度为400μm，电解质13的厚度为8μm，阴极1的厚度为24μm。通过选择上述厚度的阳极22、电解质23及阴极1，有利于保证电极材料及电解质材料的强度，同时避免电极材料及电解质材料的厚度过大导致电子离子传导的损失，降低直接碳燃料电池的输出性能。进一步地，碳燃料层21与阳极22之间设置有连通腔体25，碳燃料层21与阳极22之间的距离为0-100μm，优选为50-100μm，如图1中标号25表示碳燃料层21与阳极22之间通过连通腔体25间隔，燃料气体经过碳燃料层21-连通腔体25到达阳极22，阳极22与碳燃料层21之间通过连通腔体25间隔有利于提高碳气化工质扩散的均匀性，提高碳气化反应的速率和均匀性，且连通腔体的设置，能够防止燃料气体的逸出，促进反应(4)的发生，有利于提高燃料气体的产率，提升直接碳燃料电池的输出性能；进一步地，连通腔体25成形为连接碳燃料层21与阳极22的顶板251和底板252，顶板251、碳燃料层21的侧壁、底板252及阳极22的侧壁围设形成连通空间。
进一步地，碳燃料层21、连通腔体25、阳极22及阳极进排气室24共同构成阳极室2，碳燃料层21、阳极22及阳极进排气室24在空间上相互连通，使得自阳极进排气室24进入的碳气化工质能够与碳燃料层21接触并发生碳气化反应、碳气化反应的气体产物，如CO2能够与碳燃料层21发生碳气化反应，以及碳气化反应产生的燃料气体能够进入到阳极22与阳极材料发生氧化反应。在一些实施方式中，碳燃料层21、阳极22、连通腔体25及阳极进排气室24也可以部分置于阳极室2内，从而便于对直接碳燃料电池的阳极22一侧的密封，便于碳气化工质及各种气体产物在阳极室2内的流动，利于碳气化反应及氧化反应的发生。
需要说明的是，虽然，本发明示例了直接碳燃料电池为管状电池，但这并不构成对直接碳燃料电池形状的限定，其它形式的直接碳燃料电池结构能够使得在阴极1通入空气后发生还原反应，在阳极22采用NO气体作为碳气化工质与碳燃料层21发生碳气化反应，并产生包含燃料气体的气化产物，燃料气体与阴极1的还原反应产物发生氧化反应，均属于本发明的保护范围。
虽然并未给出，应当理解的是，本发明实施方式未特别提及的结构，是直接碳燃料的常规做法，在此不再赘述。
【第二实施方式】
为了解决NO与碳燃料层21反应过程中大量放热可能带来的直接碳燃料电池性能下降和热管理困难的问题，本发明的第二实施方式中，阳极进排气室24内还通入有作为碳气化工质的水蒸气。通过匹配NO-C(放热)、H2O-C(吸热)与CO2-C(吸热)等多源气化过程，水蒸气与碳燃料层21发生碳气化反应能够吸收NO与碳燃料层21发生碳气化反应释放的热量，实现灵活高效的温度场调控，优化电池的热管理，提高直接碳燃料电池运行的稳定性。相比较H2O、CO2的碳气化过程均为吸热过程，而NO与碳燃料层21的反应是放热反应，将其与H2O碳气化过程进行匹配可以实现灵活的热管理，电池的反应温度也有所降低，有利于电池的稳定、长久、高效运行。在引入水蒸气后，水蒸气与碳燃料层21反应的产物中包含H2这一扩散速率更快且电化学活性更高的组分，有利于提升直接碳燃料电池的输出性能。
具体来说，本发明第二实施方式中直接碳燃料电池中发生的化学反应如下所示：
阴极反应：0.5O2+2e-→O2- (11)
阳极反应：C+NO→CO+1/2N2 (12)
C+H20→H2+CO (13)
C+2NO→CO2+N2 (14)
CO+O2-→CO2+2e- (15)
H2+O2-→H20+2e- (16)
CO+H2O→CO2+H2 (17)
C+CO2→2CO (18)
本发明直接碳燃料电池的反应过程为：向阴极室11内通入空气，空气中的氧气在阴极1被还原为O2-，如反应方程式(11)所示，向阳极进排气室24内通入NO和水蒸气，NO、水蒸气分别与碳燃料层21发生碳气化反应，如反应方程式(12)、(13)所示，分别生成燃料气体CO、H2；进一步地，本发明实施方式中，直接碳燃料电池的反应温度为700℃-1000℃，在该温度区间内，NO与碳燃料层21反应生成CO的反应速率较高，明显高于CO2的碳气化效率，实现碳气化速率与传质速率、电化学反应速率的较优匹配，提高直接碳燃料电池的输出性能；在具体的实施例中，采用NO作为碳气化工质后，直接碳燃料电池的功率密度在3000-4000瓦/平方米(W/m2)，而采用CO2作为碳气化工质的直接碳燃料电池的功率密度仅为1000瓦/平方米左右。本发明实施方式中，在800℃条件下，NO与碳燃料层21反应的主要产物是CO，同时有少量CO2产生，如反应方程式(14)所示。阴极1产生的O2-离子通过电解质23输送到阳极22，与阳极22的燃料气体CO、H2发生氧化反应，如反应方程式(15)、(16)所示，此外，燃料气体中的CO会少量与H2O反应，生成CO2和H2，如反应方程式(17)所示，反应方程式(14)、(15)、(17)中产生的CO2均能够与碳燃料层21发生反应，生成直接碳燃料所需的燃料气体CO，如反应方程式(18)所示。上述各个反应在直接碳燃料电池中的位置分布示意图如图2所示，阴极1发生反应(11)，阳极22发生反应(15)、(16)，阳极进排气室24内发生反应(12)、(13)、(14)、(17)、(18)。
本发明的优选实施方式中，NO和水蒸气的气体流量为50-500mL/min，空气的流量为50-500mL/min。该空气流量能够保持直接碳燃料电池内的温度，避免空气流量过大导致直接碳燃料电池内热量流失，通过控制水蒸气的流量能够维持直接碳燃料电池内CO的浓度和NO反应速率，保证直接碳燃料电池的输出性能，避免水蒸气流量过大时，降低CO浓度和NO反应速率；需要说明的是，本发明虽然示出了上述气体流量，但是本领域技术人员可以根据实际情况进行调整。
本发明第二实施方式的直接碳燃料电池的结构与第一实施方式中的直接碳燃料电池的结构相同，与第一实施方式的不同之处在于，阳极进气口241进入的是NO和水蒸气，阳极排气口242排出的是部分未完全利用的气体或者反应生成的气体，是包括H2、H2O、CO、N2和CO2的混合气，上述混合气在分离氮气之后可用于制甲醇等碳氢燃料，提高材料的利用率。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种直接碳燃料电池，包括依次设置的碳燃料层、阳极、电解质及阴极，其特征在于，还包括阳极进排气室和阴极室，所述阳极进排气室设于所述碳燃料层背离所述阳极的一侧，所述阳极进排气室内通入有NO气体作为碳气化工质与所述碳燃料层发生碳气化反应，并产生包含燃料气体的气化产物；所述阴极室设于所述阴极背离所述电解质的一侧，所述阴极室内通入有空气，空气在所述阴极发生还原反应，所述阴极产生的还原产物经过所述电解质进入所述阳极，并与进入到所述阳极的所述燃料气体发生氧化反应。
2.根据权利要求1所述的直接碳燃料电池，其特征在于，所述阳极进排气室内还通入有作为碳气化工质的水蒸气。
3.根据权利要求2所述的直接碳燃料电池，其特征在于，所述NO和水蒸气的气体流量均为50-500mL/min，所述空气的流量为50-500mL/min。
4.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的直接碳燃料电池，其特征在于，所述阳极所采用的的材料为Ni-YSZ，所述电解质为钇稳定氧化锆/钐掺杂氧化铈双层电解质，所述阴极所采用的的材料为镧锶钴铁氧体材料。
5.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的直接碳燃料电池，其特征在于，所述碳燃料层为木炭、焦炭、活性炭中的一种或多种组合。
6.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的直接碳燃料电池，其特征在于，所述直接碳燃料电池为管状电池。
7.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的直接碳燃料电池，其特征在于，所述碳燃料层与所述阳极之间设置有连通腔体，所述碳燃料层与所述阳极之间的距离为0-100μm。
8.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的直接碳燃料电池，其特征在于，所述直接碳燃料电池的反应温度为700℃-1000℃。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111533475.3A CN114243067B (zh) | 2021-12-15 | 2021-12-15 | 直接碳燃料电池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111533475.3A CN114243067B (zh) | 2021-12-15 | 2021-12-15 | 直接碳燃料电池 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114243067A CN114243067A (zh) | 2022-03-25 |
| CN114243067B true CN114243067B (zh) | 2024-02-09 |
Family
ID=80756208
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202111533475.3A Active CN114243067B (zh) | 2021-12-15 | 2021-12-15 | 直接碳燃料电池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114243067B (zh) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115029714A (zh) * | 2022-06-28 | 2022-09-09 | 中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司 | 一种泡沫金属强化传热碳辅助固体氧化物电解池 |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102290589A (zh) * | 2011-07-19 | 2011-12-21 | 中国科学院上海硅酸盐研究所 | 一种阴极支撑型直接碳燃料电池 |
| KR20150083203A (ko) * | 2014-01-09 | 2015-07-17 | 서울대학교산학협력단 | 공기극 지지체형 직접탄소 연료전지용 이중층 전해질 및 그 제조방법 |
| CN108736050A (zh) * | 2017-04-18 | 2018-11-02 | 惠州大亚湾艾利荣化工科技有限公司 | 一种高活性直碳燃料电池的碳燃料制备方法 |
| CN109921060A (zh) * | 2018-10-17 | 2019-06-21 | 清华大学 | 一种基于固体氧化物电池的储电及制合成气的系统和方法 |
| JP2021051938A (ja) * | 2019-09-25 | 2021-04-01 | 一般財団法人電力中央研究所 | ダイレクトカーボン燃料電池を用いた発電システム |
| JP2021073661A (ja) * | 2021-01-29 | 2021-05-13 | 国立大学法人東京工業大学 | 直接炭素燃料電池 |
| CN112993267A (zh) * | 2019-12-18 | 2021-06-18 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | 基于对称双阴极结构固体氧化物燃料电池的直接甲烷干重整发电方法 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TWI390104B (zh) * | 2010-03-04 | 2013-03-21 | Nat Univ Tsing Hua | 控制廢氣排放並發電的熱活電化學暨觸媒轉化器 |
-
2021
- 2021-12-15 CN CN202111533475.3A patent/CN114243067B/zh active Active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102290589A (zh) * | 2011-07-19 | 2011-12-21 | 中国科学院上海硅酸盐研究所 | 一种阴极支撑型直接碳燃料电池 |
| KR20150083203A (ko) * | 2014-01-09 | 2015-07-17 | 서울대학교산학협력단 | 공기극 지지체형 직접탄소 연료전지용 이중층 전해질 및 그 제조방법 |
| CN108736050A (zh) * | 2017-04-18 | 2018-11-02 | 惠州大亚湾艾利荣化工科技有限公司 | 一种高活性直碳燃料电池的碳燃料制备方法 |
| CN109921060A (zh) * | 2018-10-17 | 2019-06-21 | 清华大学 | 一种基于固体氧化物电池的储电及制合成气的系统和方法 |
| JP2021051938A (ja) * | 2019-09-25 | 2021-04-01 | 一般財団法人電力中央研究所 | ダイレクトカーボン燃料電池を用いた発電システム |
| CN112993267A (zh) * | 2019-12-18 | 2021-06-18 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | 基于对称双阴极结构固体氧化物燃料电池的直接甲烷干重整发电方法 |
| JP2021073661A (ja) * | 2021-01-29 | 2021-05-13 | 国立大学法人東京工業大学 | 直接炭素燃料電池 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| The thermal effect in direct carbon solid oxide fuel cells;Haoran Xu等;Applied Thermal Engineering;全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114243067A (zh) | 2022-03-25 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN215578650U (zh) | 使用氨气为燃料的固体氧化物燃料电池与质子交换膜燃料电池混合系统 | |
| CN102290589B (zh) | 一种阴极支撑型直接碳燃料电池 | |
| CA1242241A (en) | Direct use of methanol fuel in a molten carbonate fuel cell | |
| CN107579268B (zh) | 直接使用丙烷燃料的固体氧化物燃料电池及其应用 | |
| US9257713B2 (en) | Solid oxide fuel cell system equipped with carbon monoxide generator using ultraclean coal or graphite | |
| CN102130354B (zh) | 一种直接碳固体氧化物燃料电池电源系统 | |
| CN217300714U (zh) | 一种甲醇燃料双路发电装置及其换热系统 | |
| CN113506902A (zh) | 使用氨气为燃料的固体氧化物燃料电池与质子交换膜燃料电池混合系统 | |
| CN114243067B (zh) | 直接碳燃料电池 | |
| TWI390104B (zh) | 控制廢氣排放並發電的熱活電化學暨觸媒轉化器 | |
| CN114876633B (zh) | 一种甲醇燃料双路发电装置及其换热系统 | |
| US20230167562A1 (en) | Carbon-assisted solid oxide electrolysis cell | |
| US3321333A (en) | Fuel cell system | |
| CN109876751B (zh) | 一种等离子体反应器及其应用 | |
| CN218160479U (zh) | 一种近零碳排放直接煤燃料电池堆发电装置 | |
| CN115354345A (zh) | 光伏光热耦合共电解结合垃圾发电的综合能源系统及其工艺方法 | |
| CN114725455A (zh) | 一种固体燃料电池的排气利用装置 | |
| CN114335633A (zh) | 一种近零碳排放直接煤燃料电池堆发电装置及发电方法 | |
| Rashad et al. | Hydrogen in fuel cells: an overview of promotions and demotions | |
| CN210736903U (zh) | 一种氨电解制氢装置 | |
| CN111883800A (zh) | 一种固体氧化物燃料电池的加工设备 | |
| CN106299422B (zh) | 一种电化学尾气回收利用装置 | |
| CN110364755A (zh) | 化学链部分氧化重整变换直接耦合燃料电池发电系统 | |
| CN219160348U (zh) | 电化学技术与燃煤混氨技术联用的低碳排放系统 | |
| CN116526684B (zh) | 一种电能储能装置及系统 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |