[发明专利]高温直接煤燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，具体地说，涉及用于将含碳材料(如煤)直接电化学转化为电能的高温燃料电池领域。本发明还涉及使用单一温度区的燃料电池。本发明还涉及其中阳极表面与碳颗粒直接物理接触的燃料电池。

背景技术

煤是地球上最丰富和廉价的能源，具有足够的储量来满足未来几十年，甚至几百年世界的大部分能源需求。其它能源如风能、太阳能、地热和核能仅能提供有限的容量。随着人口众多的国家如中国、印度、巴西和俄罗斯的经济的加速快速发展，对能源的需求量也在增加，故对寻找更有效地和可靠地使用煤的方式有更紧迫和迫切的需求，因为这些国家不仅拥有巨大储量的这一有价值的资源，并且大量地用于发电。例如，中国由煤产生超过70％的电。在美国这一数字是约56％。

煤的化学能量转化为电通常需要遭受Carnot约束的多个加工步骤，最终导致低转化效率。通常，亚临界烧煤发电厂以33-35％的低效率操作。近来，新兴的煤技术具有稍微改善的效率，可达到42-45％(对于超临界和综合气体联合循环方法)。但是，也有更新的、成本高的技术：成本超过$1700/kW，不捕获CO₂；以及成本超过$2200/kW，捕获CO₂(N.Holt，GCEP Advanced Coal Workshop，Provo，Utah。March 15、16(2005))。

相反地，本文中提出的将煤直接电化学转化为电能的方法是单步法，且不受Carnot约束。因此，它能达到比化学转化方法高得多的转化率。这部分是由于碳电化学转化为二氧化碳的高理论效率上限值，由于反应的熵变接近零，该转化率甚至在高温下保持在约100％。

可以在流化床燃料电池中直接煤转化最初由Gur提出(T.M.Gur和R.A.Huggins，J.Electrochem.Soc.139(#10)，L95(1992)，美国专利5,376,469，1994年12月27日)，其利用在固体氧化物燃料电池中的固定碳床。这一早先的尝试使用了厚(1.5mm壁)的稳定的氧化锆管。这也是初步的设想证实研究，只是离最佳还很远。无论如何，其成功地证明了可以引出超过30mA/cm²的电流，并得到与理论期望值一致的开路电压。

然而，对直接碳转化为电的探索并不是新的，已经充满活力地前赴后继地探索了超过150年。最早的在燃料电池中直接消耗煤的尝试由Becquerel在1855年进行(K.R.Williams，“An Introduction to Fuel Cells”，Elsevier出版公司，Amsterdam，1996年，第1章)。他在使用熔融硝酸钾作为电解质的燃料电池中使用碳棒作为阳极，铂作为氧电极。当氧吹到Pt电极上时，在外电路中观察到电流。但是，他的结果并不令人鼓舞，因为硝酸钾电解质对碳的直接化学氧化。

在接近世纪变换时，Jacques(W.W.Jacques，Harper’s杂志，94，144(1896年12月-1897年5月))使用包含在铁坩埚中的氢氧化钠电解质作为空气阴极，碳棒作为可消耗的阳极。在约500℃操作电池，在约1伏特下得到超过100ma/cm²的电流密度。他构造了由超过100个这些电池组成的1.5kW电池组，并间歇性地操作了超过6个月。不幸的是，Jacques并没有给出有关电池性能和其电池组使用寿命的可靠信息。Haber和Brunner(F.Haber和L.Bruner，Z.Elektrochem.，10，697，1904年)提出了，在Jacques电池中的阳极上的电化学反应不是碳的氧化，而是产生了氢，并且由碳与熔融氢氧化钠的反应产生了碳酸钠。由于这一不利的包括电解质的副反应，使其在该环境中不稳定，Baur和其同事(E.Baur，Z.Elektrochem.，16，300(1910)；E.Baur和H.Ehrenberg，Z.Elektrochem.，18，1002(1912)；E.Baur、W.D.Treadwell和G.Trumpler，Z.Elektrochem.，27，199(1921))放弃了熔融碱电解质，用熔融盐如碳酸盐、硅酸盐和硼酸盐取代它们。