[实用新型]直接固体碳燃料电池堆

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种直接固体碳燃料电池堆。

背景技术

能源是人类经济的支柱，也是社会活动的必须动力。目前主要通过热机获得社会活动所需的初级动力，然后转化为电能。但是，由于热机受到“卡诺循环”的限制，效率提高较为困难，造成能源浪费、污染排放增加等问题。因此，开发高效、清洁的电能获取方式，成为能源发展的必然方向。

燃料电池可将储存在燃料中的化学能直接转化为电能，不受“卡诺循环”的限制，具有能量转换效率高、洁净、无污染、噪声低、比功率高等优点，受到世界各国的广泛重视。其中，直接固体碳燃料电池（Direct Carbon Fuel Cell,简称DCFC）采用固体碳作为燃料，将其中化学能直接转化为电能，更具有以下优点：直接而高效利用了化学燃料中碳的能量；固体碳燃料电池的理论热率为100%，熵变为0；碳的进料和产出的二氧化碳集成在一个单元里，容易收集；煤炭资源丰富，且通过植物再生获取生物质碳简单、廉价、环保；固体碳安全，运输和储存方便；固体碳直接利用，加工简单、无污染。

直接固体碳燃料电池根据电解质不同可分为多种类型，熔融碳酸盐燃料电池大多温度高，电能的转换效率低，结构复杂，并且使用隔膜，具有维修或者替换困难等缺点。而采用熔融碱电解质的固体碳燃料电池，具有温度低、电池效率高，结构简单，维修方便等优点。

19世纪末期，由于火力发电的效率低到2.6％，科学家们为提高效率，精简能量转化过程而研发了DCFC技术。1896年Jacques建造了第一个DCFC模型，在500℃利用碳电极测得了高于1V的开路电压，并且最大电流密度达到了100mA/cm²。由于碱电解质的碳酸化和残渣的累积，导致该系统无法连续运行。

在DCFC中，以碱性电解质为例，固体碳燃料作为阳极，发生氧化反应（反应一），释放电子；氧气在阴极中发生还原反应（反应二），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（反应三）。各反应化学式如下：

阳极反应：C+4OH^- → CO₂+2H₂O+4e^-                         

阴极反应：O₂+2H₂O+4e- → 4OH^-

总反应：C+O₂→ CO₂

近年来由于全球暖化、酸雨以及固体空气颗粒物的增多都主要归咎于火电厂的污染排放，同时，能量效率只停留在35％左右，DCFC的技术开发提上日程。美国的SRI、LLNL和SARA等率先开始这方面的科研。2010年，来自澳大利亚、英国和中国的学者也加入了研发队伍。目前，DCFC技术仍处于学术研究和产品研发阶段，技术研究将不断扩大。下面对具代表性的研究模型进行介绍。

为了提高电池的工作效率、降低成本，迫切需要简单、易造、高效的固体碳燃料电池。

以Cooper领导的美国Lawrence国家实验室（Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL)）开发了熔融碳酸盐的燃料电池。该电池采用高温（800^oC）的熔融碳酸盐作为电解质，固体炭颗粒作为燃料，空气中的氧气作为阴极还原剂。在800^oC的运行温度下，优化电流密度为120mA/cm²，功率密度为60mW/cm²。

以Zecevic 领导的研发组在美国SARA公司开发了碱性直接碳燃料电池。石墨炭棒被用于燃料，同时作为阳极导体浸泡在熔融的氢氧化钠电解质中，氧气通过电池底部的分散管通入，并与作为容器壁的阴极接触发生反应。在630^oC的运行温度下，取得了优化电流密度为250mA/cm²，功率密度为57mW/cm²。

Irvine 教授在英国University of St Andrews 领导了复合固体氧化物与熔融碳酸盐的管状直接碳燃料电池项目。固体颗粒炭燃料与熔融碳酸盐混合加入阳极仓中，固体氧化物作为电解质，氧气吹入阴极作为还原剂。在800^oC的运行温度下，优化电流密度和功率密度分别达到170mA/cm²和50mW/cm²。