[发明专利]串联呼吸型单板仓固体碳燃料电池堆及其发电方法

说明书

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，特别涉及一种呼吸型固体碳燃料电池堆，另外还涉及其发电方法。

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，固体氧化物燃料电池和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(电解液)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，电解质中OH^-从阴极到阳极的转移形成完整电路，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^-(一)

阴极反应：O₂+2H₂O+4e^-→4OH^-(二)

总反应：C+O₂→CO₂(三)

在DCFC中，以碳酸盐电解质为例，固体碳燃料作为阳极，发生氧化反应 (反应四)，释放电子；氧气在阴极中发生还原反应(反应五)，获得电子；电子从阳极到阴极的转移为外界提供电能，电解质中CO₃^2-从阴极到阳极的转移形成完整电路，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+2CO₃^2-→3CO₂+4e^-(四)

阴极反应：O₂+2CO₂+4e^-→2CO₃^2-(五)

总反应：C+O₂→CO₂(三)

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。