[发明专利]直接碳燃料电池的微米碳流体气相造泡装置及其造泡方法

说明书

技术领域

本发明涉及直接碳燃料电池制备领域，具体涉及一种直接碳燃料电池的微米碳流体气相造泡装置及其造泡方法。

背景技术

随着我国国民经济的持续、快速发展，能源的洁净高效利用逐渐成为非常紧迫的问题。传统的能源利用方式是首先将燃料的化学能转变为热能，然后再转变为机械能和电能，由于受卡诺循环及材料的限制，发电效率只有30％左右，且在发电过程中产生了严重的废水、废气、废渣、废热和噪声污染。燃料电池是将燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的装置，它不受卡诺循环的限制，发电效率可达50％-70％；与传统的火电机组相比：NO_X和SO₂的排放量较少，CO₂的排放量可减少40％-60％，噪声低；可以进行模块化设计；变负荷率高；既可以分散供电亦可以集中供电；占地面积小。因此，燃料电池称为水电、火电和核电后的第四代发电装置。

通过开发出发电效率高、设备易放大、运行稳定和维护简单的直接碳燃料电池DCFC，能够提升煤炭的能源价值，包括提高发电效率，低热值煤的低成本发电和清洁环保发电，最终发展出基于DCFC的高效、清洁和空间节约的新型能源技术，具有重大的战略意义。

碳燃料电池的综合性能取决于反应装置输出的功率密度和电流密度，而功率密度又由传热效率和碳的直接电化学反应过程所决定，传统的碳燃料电池反应装置采用的均是传统的固定床反应器，其结构形式简单，流动影响因素少，便于控制碳反应过程的速率，但是不利于提高传热效率和碳的直接电化学反应过程。通过在DCFC中的阳极和阴极采用传热、传质效果好的流化床反应器，不仅可以保证流化床DCFC的优点，而且可以将碳的直接电化学反应界面从二维拓展到三维，能够进一步提高碳的直接电化学反应过程。

日本东京大学Y.MatSuno针对MCFC中电极面积相对较小、气体传输效率较低及结构复杂等缺点，使用流化床电极代替MCFC中多孔气体扩散电极，设计出流化床电极燃料电池阳极，阳极半电池主要由陶瓷管、镍电极颗粒、集流器、对电极、参比电极、布风板构成。Y.Matsuno在此装置上研究了反应温度、燃料成分、气体流速、集流器面积等对半电池的极化性能的影响，发现：提高反应温度可以增加电流密度；燃料中氢气含量越高，半电池电流密度越大；实验范围内，半电池的极限电流密度随气速的增大而增加，然而气速的增大会增加电池的内阻(颗粒相和电解质相)，从而增加了欧姆极化。

Gur将流化床电极与固体氧化物DCFC相结合，形成了流化床电极直接碳燃料电池，电池采用He作为介质来实现碳颗粒的流态化，以促进其与阳极集流器接触，从而降低了电池的浓差极化。并对不同规模该类型电池的进行了测试，小型装置的输出功率密度很低，尚不足2mW/cm²。

清华大学史翊翔在专利201110217478.6中提出了一种流化床电极直接碳燃料电池装置，该发明在固体氧化物直接碳燃料电池基础上，向固体碳燃料中添加导体催化剂，使得碳的直接化学反应从二维拓展为三维，促进碳的气化反应，从而提高电池性能，进一步增强了电极内的传热和传质。该发明基于固体氧化物碳燃料电池，电解质采用了熔融碳酸盐，电子传导率会受到温度的制约，其次是阴极混合气体中CO2的掺入也会引起Boudouard反应。

燃料电池能源系统内部的关键在于电化学反应的进行。电化学反应的速度决定电源的功率输出。电化学反应是个表面过程，反应物之间在电极表面的有效充分接触是反应进行的保证。在DCFC中，阳极反应是个三相“固-液-固”过程，固体燃料-电解质-电极直接的接程度控制了反应的速率。上述文献中的流化床反应器普遍存在无法有效平衡固相停留时间与反应速率，层流层内层过多，无法高效提升传质速度。

发明内容

针对以上现有技术中存在的问题，本发明提供一种直接碳燃料电池的微米碳流体气相造泡装置及其造泡方法，在流化床装置中减小燃料颗粒，并进行气相造泡，能够更大程度地提高三相反应界面，提升传质速度。

本发明的一个目的在于提供一种直接碳燃料电池的微米碳流体气相造泡装置。