CN217544675U - 一种近零碳排放直接煤燃料电池原位重整系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种近零碳排放直接煤燃料电池原位重整系统，所述系统选用基于氧离子导体的平板式固体氧化物燃料电池，在阳极上浸渍银纳米颗粒，增加了阳极三相界面的长度且引入了更加稳定的银纳米颗粒覆盖在阳极表面，可有效提高电池的电化学性能，实现高效稳定的输出。同时，采用原位重整技术，在直接煤燃料电池出口处添加双功能陶瓷膜，使直接煤燃料电池发电过程中所产生的二氧化碳气体渗透过双功能陶瓷膜，在高温和催化剂的作用下与甲烷发生重整，转化为一氧化碳与氢气，解决了直接煤燃料电池发电产生的二氧化碳气体处理的问题。本实用新型利用直接煤燃料电池与二氧化碳甲烷原位重整相耦合，实现了近零碳排放直接煤燃料电池发电技术。
Description
技术领域
本实用新型涉及电化学技术领域，尤其涉及一种近零碳排放直接煤燃料电池原位重整系统。
背景技术
直接煤燃料电池作为一种高效的煤炭发电装置，能够整合利用煤炭，通过高温下CO2与C的气化反应生成CO作为燃料气，实现高效电化学发电，有望成为未来能源供应系统的重要组成部分。目前，在利用煤炭的电化学氧化发电的过程中会释放大量的CO2，然而现有技术中并没有对生成的CO2气体进行有效的处理。CO2作为主要的温室气体，直接排入到大气中会加剧全球变暖，对环境造成破坏。故而，如何实现CO2的原位转化，有效利用煤炭的电化学氧化发电所产生的CO2成为一个亟需解决的环境问题。
因此，现有技术还有待改进。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种近零碳排放直接煤燃料电池原位重整系统，旨在解决现有技术直接煤燃料电池在利用煤炭的电化学氧化放电的过程中，所释放的大量CO2得不到有效处理的问题。
本实用新型的技术方案如下：
本实用新型提供一种近零碳排放直接煤燃料电池原位重整系统，其中，系统包括用于利用含碳燃料发电的直接煤燃料电池，还包括用于实现二氧化碳渗透并完成与甲烷原位重整的双功能陶瓷膜；所述双功能陶瓷膜与所述直接煤燃料电池的阳极气体出口连接。
所述的近零碳排放直接煤燃料电池原位重整系统，其中，所述直接煤燃料电池为基于氧离子导体的固体氧化物燃料电池，所述固体氧化物燃料电池的阳极为金属镍与电解质复合的多孔阳极。
所述的近零碳排放直接煤燃料电池原位重整系统，其中，所述金属镍与电解质复合的多孔阳极上沉积有银纳米颗粒。
所述的近零碳排放直接煤燃料电池原位重整系统，其中，所述电解质的材质为阳离子导体陶瓷。
所述的近零碳排放直接煤燃料电池原位重整系统，其中，所述双功能陶瓷膜以氧离子导体电解质与催化剂复合物为基体，所述基体中浸入碱金属碳酸盐。
所述的近零碳排放直接煤燃料电池原位重整系统，其中，所述系统还包括瓦斯进气管道。
有益效果：本实用新型提供了一种近零碳排放直接煤燃料电池原位重整系统，所述系统选用基于氧离子导体的平板式固体氧化物燃料电池，并在阳极上浸渍银纳米颗粒，增加了阳极三相界面的长度且引入了更加稳定的银纳米颗粒覆盖在阳极表面，可有效提高电池的电化学性能，实现直接煤燃料电池高效稳定的输出。同时，采用原位重整技术，在直接煤燃料电池出口处添加双功能陶瓷膜，使直接煤燃料电池发电过程中所产生的二氧化碳气体渗透过双功能陶瓷膜，在高温和催化剂的作用下与甲烷发生重整，使二氧化碳气体通过重整转化为高附加值的合成气(一氧化碳与氢气)。从而很好的解决了直接煤燃料电池发电所产生的二氧化碳气体得不到有效处理的问题。本实用新型利用直接煤燃料电池与二氧化碳甲烷原位重整相耦合，将直接煤燃料电池在工作过程中所产生的二氧化碳原位转化为一氧化碳与氢气组成的合成气，真正实现了近零碳排放直接煤燃料电池发电技术。
附图说明
图1为本实用新型实施例中一种近零碳排放直接煤燃料电池原位重整系统的示意图。
图2为本实用新型实施例中直接煤燃料电池的功率密度测试结果图。
具体实施方式
本实用新型提供一种近零碳排放直接煤燃料电池原位重整系统，为使本实用新型的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本实用新型进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
如图1所示，本实用新型公开一种近零碳排放直接煤燃料电池原位重整系统，其包含石英管10、直接煤燃料电池20、双功能陶瓷膜30；所述直接煤燃料电池20位于石英管10底部，所述双功能陶瓷膜30与所述直接煤燃料电池20的阳极气体出口连接；所述石英管10顶端还包括瓦斯进气管道40。
现有技术中直接煤燃料电池在利用煤炭的电化学氧化发电的过程中会释放大量的二氧化碳，所释放出的大量二氧化碳作为发电的副产物往往得不到有效的处理，对环境造成极大的危害(温室效应)。为了解决该技术问题，本实用新型实施例采用原位重整技术，即将直接煤燃料电池出口处添加双功能陶瓷膜，使直接煤燃料电池发电过程中所产生的二氧化碳气体渗透过双功能陶瓷膜，在高温和催化剂的作用下与甲烷发生重整，使二氧化碳气体通过重整转化为高附加值的合成气(一氧化碳与氢气)，从而很好的解决了直接煤燃料电池发电所产生的二氧化碳气体得不到有效处理的问题。
在一些实施方式中，所述直接煤燃料电池为基于氧离子导体的固体氧化物燃料电池，所述固体氧化物燃料电池的阳极为金属镍与电解质复合的多孔阳极。
在一些优选的实施方式中，所述直接煤燃料电池为基于氧离子导体的平板式固体氧化物燃料电池。
在一些实施方式中，所述金属镍与电解质复合的多孔阳极上沉积有银纳米颗粒。在所述平板式固体氧化物燃料电池的阳极上浸渍银(Ag)纳米颗粒，增加了阳极三相界面的长度且引入了更加稳定的纳米银颗粒覆盖在阳极表面，可有效提高电池的电化学性能，实现直接煤燃料电池高效稳定的输出。
在一些实施方式中，所述直接煤燃料电池在高温下发生如下反应：
阳极区反应：C+2O2-＝CO2+4e-；
阴极区反应：2O2+4e-＝2O2-。
由上述反应可知，直接煤燃料电池在利用煤炭的电化学氧化放电的过程中，在阳极区产生了大量的CO2。所产生的CO2气体，经由直接煤燃料电池的阳极气体出口，扩散至双功能陶瓷膜，并在所述双功能陶瓷膜上完成渗透和重整，真正实现二氧化碳的原位转化。
在一些实施方式中，所述电解质的材质为阳离子导体陶瓷。
在一些实施方式中，所述双功能陶瓷膜30包括渗透膜301以及催化剂302.二氧化碳气体经过渗透膜301后，在催化剂302的作用下与甲烷发生反应。但并不限于此，在另一些实施方式中，所述催化剂还可以掺杂入所述渗透膜内部，与渗透膜形成一个混合的整体。图1所示仅为本实用新型实施例提供的一种可能的组合方式，并不应认为是对本实用新型的限制。
在一些实施方式中，所述双功能陶瓷膜以多孔的氧离子导体电解质与催化剂复合物为基体，所述基体中浸入碱金属碳酸盐。其中，氧离子导体电解质富含孔隙，有利于气体的渗透和捕集。
在一些实施方式中，所述的近零碳排放直接煤燃料电池原位重整系统还包括瓦斯进气管道40。
所述瓦斯进气管道40从所述石英管10顶端伸入，并导向所述双功能陶瓷膜30，便于通入的瓦斯气体在所述双功能陶瓷膜上与二氧化碳发生反应。
本实用新型实施例提供的一种近零碳排放直接煤燃料电池原位重整系统，利用直接煤燃料电池与双功能陶瓷膜相耦合，选用基于氧离子导体的平板式固体氧化物燃料电池，并在阳极上浸渍银纳米颗粒，同时在直接煤燃料电池出口处添加双功能陶瓷膜，使直接煤燃料电池发电过程中所产生的二氧化碳气体渗透过双功能陶瓷膜，进行原位重整转化为高附加值的合成气。对所述直接煤燃料电池发电系统进行性能测试，图2所示为电池的功率密度数据。由图2可知，电池具有较大的功率密度，说明直接煤燃料电池可以高效稳定的输出，这也证明了上述装置在实际中的可行性。
在一些实施方式中，利用直接煤燃料电池进行发电的反应为：
阳极区反应：C+2O2-＝CO2+4e-；
阴极区反应：2O2+4e-＝2O2-。
反应完成后，在所述直接煤燃料电池组的阳极区产生了大量的CO2。
在一些实施方式中，所产生的CO2气体，经由所述直接煤燃料电池的阳极气体出口，扩散至双功能陶瓷膜，并在所述双功能陶瓷膜上完成CO2渗透。
在一些实施方式中，二氧化碳气体与甲烷发生重整，并转化为一氧化碳与氢气的反应式为：
CO2+CH4＝CO+2H2；
石英管顶部的瓦斯进气管道通入瓦斯，其主要成分为甲烷(CH4)。甲烷到达双功能陶瓷膜后，在所述双功能陶瓷膜上与渗透的二氧化碳气体直接发生重整，将二氧化碳气体原位转化为一氧化碳与氢气组成的合成气，从而真正实现二氧化碳的原位重整。与现有技术相比，本实用新型实施例提供的双功能陶瓷膜，将渗透和重整两项功能合二为一，同时实现双功能，真正做到了二氧化碳的原位转化。这在直接煤燃料电池产物二氧化碳的处理技术中还是首次实现，不仅减少了装置的复杂度，降低了用于二氧化碳捕集与转换的成本与能耗，而且有效防止了二氧化碳气体的逸出，提高了转化效率，几乎可以达到二氧化碳的零排放，致力于实现碳中和的全球目标。
在一些实施方式中，所述二氧化碳气体与甲烷发生重整在高温和催化剂的作用下进行。
在一些优选的实施方式中，反应温度为600℃-1000℃，优选1100℃。
在一些优选的实施方式中，催化剂为LSFN(La0.7Sr0.3Fe0.8Ni0.2O3-δ)钙钛矿催化剂，但不限于此，还可以为其他任意合适的催化剂。
综上所述，本实用新型提供了一种近零碳排放直接煤燃料电池原位重整系统，所述系统选用基于氧离子导体的平板式固体氧化物燃料电池，并在阳极上浸渍银纳米颗粒，增加了阳极三相界面的长度且引入了更加稳定的银纳米颗粒覆盖在阳极表面，可有效提高电池的电化学性能，实现直接煤燃料电池高效稳定的输出。同时，采用原位重整技术，在直接煤燃料电池出口处添加双功能陶瓷膜，使直接煤燃料电池发电过程中所产生的二氧化碳气体渗透过双功能陶瓷膜，在高温和催化剂的作用下与甲烷发生重整，使二氧化碳气体通过重整转化为高附加值的合成气(一氧化碳与氢气)。从而很好的解决了直接煤燃料电池发电所产生的二氧化碳气体得不到有效处理的问题。本实用新型利用直接煤燃料电池与二氧化碳甲烷原位重整相耦合，将直接煤燃料电池在工作过程中所产生的二氧化碳原位转化为一氧化碳与氢气组成的合成气，真正实现了近零碳排放直接煤燃料电池发电技术。
应当理解的是，本实用新型的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。
Claims (6)
1.一种近零碳排放直接煤燃料电池原位重整系统，其特征在于，系统包括用于利用含碳燃料发电的直接煤燃料电池，还包括用于实现二氧化碳渗透并完成与甲烷原位重整的双功能陶瓷膜；所述双功能陶瓷膜与所述直接煤燃料电池的阳极气体出口连接。
2.根据权利要求1所述的近零碳排放直接煤燃料电池原位重整系统，其特征在于，所述直接煤燃料电池为基于氧离子导体的固体氧化物燃料电池，所述固体氧化物燃料电池的阳极为金属镍与电解质复合的多孔阳极。
3.根据权利要求2所述的近零碳排放直接煤燃料电池原位重整系统，其特征在于，所述金属镍与电解质复合的多孔阳极上沉积有银纳米颗粒。
4.根据权利要求2所述的近零碳排放直接煤燃料电池原位重整系统，其特征在于，所述电解质的材质为阳离子导体陶瓷。
5.根据权利要求1所述的近零碳排放直接煤燃料电池原位重整系统，其特征在于，所述双功能陶瓷膜以氧离子导体电解质与催化剂复合物为基体，所述基体中浸入碱金属碳酸盐。
6.根据权利要求1所述的近零碳排放直接煤燃料电池原位重整系统，其特征在于，所述系统还包括瓦斯进气管道。
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| CN202123238974.8U CN217544675U (zh) | 2021-12-21 | 2021-12-21 | 一种近零碳排放直接煤燃料电池原位重整系统 |
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Country Status (1)
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2021
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