[实用新型]一种流化床电极碳燃料电池装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及直接碳燃料电池制备领域，具体涉及一种流化床电极碳燃料电池装置。

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。

本世纪初，以Cooper领导的美国Lawrence国家实验室(LawrenceLivermoreNationalLaboratory)开发了熔融碳酸盐的燃料电池。该电池采用高温(800℃)的熔融碳酸盐作为熔融碱电解质，固体炭作为燃料，空气中的氧气作为阴极还原剂，在800℃的运行温度下，优化电流密度为120mA/cm²,功率密度为60mW/cm²。

以Zecevic为领导的研发组在美国ZARA公司开发了碱性直接碳燃料电池，石墨碳棒被用于燃料，同时作为阳极导体浸泡在熔融的氢氧化钠熔融碱电解质中，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。

清华大学在专利200810119204.1中提出了一种直接碳燃料电池DCFC反应装置，该反应装置包括固定部件、水冷部件、阴极气体供给部件、阳极气体供给部件、碳燃料安置部件、集流部件、密封部件、测控温部件和反应腔体部件。该装置可实现对直接碳燃料电池的密封、电流集流、阴阳极气体供给、测温控温、固体碳燃料供给、阳极加水及分段加热等功能，同时为外部气路、电池电化学性能测试、反应气体检测留下接口，以满足直接碳燃料电池反应条件需求。

但上述文献中提到的碳燃料电池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(颗粒相和电解液相)，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。

东南大学仲兆平在专利200510041047.3中提出了一种流化床电极直接炭燃料电池方法及转化装置，提出将阴极和阳极用微孔金属隔板分隔并形成三相流化床，以碳酸盐为熔融碱电解质，以镍粉或镍铬合金为催化剂，将二氧化碳气体通入阳极，将二氧化碳、空气的混合气体通入阴极，底部通流化气体，实用新型提高了电流密度。该实用新型第一流化气体未形成气体循环，造成了浪费，第二是阴极流化气体为二氧化碳和空气的混合气体，在高温时，炭与CO2反应生成CO，且CO的比例成分可达85％以上，消耗的炭无法产生电子。