[发明专利]一种直接碳固体氧化物燃料电池电堆及其发电装置

说明书

本发明公开一种直接碳固体氧化物燃料电池电堆及其发电装置，CO₂储气瓶提供高压CO₂与给碳机供给的碳粉混合，再通过混合入口管进入电堆，使CO₂和碳粉混合物在电堆内部呈螺旋形流动，且电堆中相邻上下层SOFC单电池错开90度布置，相邻单电池反向布置，对螺旋形流动的碳燃料进行扰动使碳燃料均匀分布在电池阳极表面；反应完尾气经过滤分离后分别通过CO₂回收管道和碳回收管道进行回收再利用，提高效率；空气进入电堆反应后经空气腔底部空气出口孔排出，利用空气层的保温效果和排出空气的高温余热对燃料再预热并给Boudouard反应提供热量补偿，保证Boudouard反应快速稳定进行。

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，具体涉及一种直接碳固体氧化物燃料电池电堆及其发电装置。

背景技术

氢气是固体氧化物燃料电池(SOFC)最为理想的燃料，但作为一种二次能源，氢气不可直接获得且储存运输技术尚不成熟，成本较高。在众多SOFC燃料中，碳燃料的来源最为广泛，且其能量密度高，基本不存在储存和运输问题，因而直接使用碳燃料的SOFC(DC-SOFC)受到了越来越多的重视。DC-SOFC的总反应为：C+O₂＝CO₂，此反应的熵变很小，且碳燃料不和空气相接触，有利于CO₂的再利用和回收处理。在DC-SOFC启动时，通入一定量的CO₂使得其和碳燃料在高温下发生Boudouard反应(CO₂+C＝2CO)，生成的CO与从电解质传递过来的氧离子发生反应生成CO₂，CO₂再通过Boudouard反应生成CO，如此往复循环，就实现了消耗固体碳发电的目的。

到目前为止，研究者们已从不同的角度，提出了各种DC-SOFC的设计方案。例如“一种直接碳固体氧化物燃料电池电源系统”的发明专利，专利号CN102130354A，将碳燃料和锥管串接式SOFC设计相结合，可在尺寸较小的情况下输出较高的电压，适用于小型SOFC电源；“一种自维持式直接碳微管固体氧化物燃料电池组”的发明专利，专利号CN107681179A，通过电池组底部碳燃料和氧气燃烧产生的热量，实现了在无外热源的情况下电池的顺利启动。“一种无密封的单片电解质直接碳固体氧化物燃料电池组”的发明专利，专利号CN108183248A，将阴极和阳极分段布置在电解质两侧，并用固定框扣住电解质片，使该电池组无需密封；“一种直接碳固体氧化物燃料电池堆”的发明专利，专利号CN103078128A，利用SOFC的余热为碳和水蒸气进行重整反应提供热量，提高了系统效率。

以上专利虽然都解决了相应的问题，但是无一例外的都是将大量的碳燃料堆积在燃料腔室中，这也是目前大部分研究对于碳燃料的处理方式，而大量碳燃料的堆积会严重制约Boudouard反应。其原因是：(1)大量碳燃料的堆积导致碳颗粒之间接触面积增大，碳颗粒与CO₂接触面积急剧减小，进而降低了Boudouard反应；(2)大量碳燃料的堆积导致Boudouard反应产生的CO不易及时排出，进一步抑制了反应的进行；(3)大量碳燃料的堆积会导致燃料腔室中不同位置的碳颗粒同时发生Boudouard反应，而Boudouard反应是吸热反应，因此导致燃料腔室中温度过低，减缓了反应速率；(4)随着Boudouard反应的进行，碳燃料不断的消耗，因此CO的生产量越来越少。因此大量碳燃料的堆积不能实现稳定的CO供应。

因此，若能将碳燃料分散开来，用气体携带进入DC-SOFC，并控制气碳混合物进入电堆的量，再在DC-SOFC内进行充分的扰动，使其可以均匀分散在电池阳极表面，并使用排出空气的高温余热对Boudouard反应进行热量补偿，就可保证Boudouard反应的快速持续稳定进行，从而提高DC-SOFC性能。此外，若能对DC-SOFC产生的尾气进行回收再利用，还可使装置效率进一步提高。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于提供一种直接碳固体氧化物燃料电池电堆及其发电装置，解决由于大量碳燃料堆积导致的Boudouard反应过慢的问题。