[实用新型]一种碳燃料电池煤基燃料联合处理装置

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，具体涉及一种碳燃料电池煤基燃料联合处理装置。

背景技术

燃料电池(fuelcells，FCs)是继火电、水电和核电之后的第4代发电技术，它是唯一兼备无污染、高效率、适用广、无噪声和具有连续工作和模块化特点的动力装置，被认为是21世纪最有发展前景的高效清洁发电技术。作为燃料电池的一种，直接碳燃料电池DCFC可以采用石墨、活性炭、煤焦炭、生物质焦炭等为燃料，碳(碳的衍生物)和氧气经过电化学反应，不须气化直接产生电能，它具有能量转化效率高、清洁、燃料适应性广的特点。直接碳燃料电池的工作温度在400～1000℃之间。

直接碳燃料电池DCFC以碳为燃料，与其他燃料电池相比，每升氧气氧化的碳(燃料)会放出更多的能量(20kWh/L)，而氢气为2.4kWh/L，甲烷为4.2kWh/L。在标准状态下，C+02→C02反应的熵变(ΔS)接近0，焓变与吉布斯自由能的变化几乎相等，故DCFC理论效率可达100％；电池反应生成的气体仅是CO：便于回收，能缓解温室效应。

最早的碳燃料电池距今已有110年的历史，但近年来技术才有了较为快速的进步，目前DCFC的电流密度达到50-500mA/cm²，功率密度达到4.5kW/m²。相比其它类型燃料电池，本体研究尚处于起步阶段。此外，以煤作为的燃料，面临两个问题，一是固体燃料给料问题；二是煤中含有的污染物将导致电极失效。煤中含有大量的灰分、硫分和挥发分等杂质，灰分会污染电解质，硫分会降低电极活度。需要对煤进行一定的加工处理，减少煤中的灰分、硫含量和挥发分，同时改善煤的微观结构，便于阳极电化学反应的发生。熔融电解质需要纯度很高的作料，89:电解质，对燃料纯度要求要低一些，目前实验室研究中通常使用石墨作为燃料。石墨价格是煤炭的十几倍，且产量有限，无法普及使用。如何将煤，甚至炼油残渣、生物质、城市垃圾等廉价地转化为可供使用的碳燃料，是国内外学者与各公司的研究热点。

目前对于碳燃料的处理问题，组要的研究工作主要集中在美国和日本等发达国家，国内也有一些学者进行了相关的研究工作。

美国布鲁克海文国家实验室提出一种PlasmaBlack的方法，通过加入氢的等离子体将化石能源或生物质连续地热解为炭黑和H₂。这种技术最早应用在以天然气和石油为原料的炭黑商业生产上。H₂等离子化温度可达1500℃，碳氢化合物热解生成碳和H₂。目前已经建立了使用天然气和石油作为燃料的年产20000吨碳黑和25亿立方米的H₂化工厂。但是，以煤为原料的PlasmaBlack研究尚处于实验阶段。

美国西弗吉尼亚大学提出溶剂萃取降低煤中杂质的方法。通过有机溶剂萃取，可以提高燃料热值、去除煤中有机灰分和有机硫分，只留少量矿物质和无机硫。处理前后煤热值约有&OP硫，处理前后煤热值约有17％提升，灰含量降至1％以下，硫含量也从4％下降到1％左右。同时可以结合热解和煅烧过程，去除煤中挥发分，改善碳的内部微观结构，有利于阳极电化学反应的发生。萃取技术的核心是萃取剂的选取，萃取剂应该具备去除杂质，残余萃取剂对DCFC无害，价格便宜，适应大规模生产使用等功能。整个萃取、热解，煅烧过程耗时、耗能，对经济性带来一定影响。

Cooper提出了一种水力清洗生产碳燃料的方法。首先将煤进行粉碎，然后通过水力清洗的方法将碳与灰分等杂质分离，烘干后作为的燃料。水力清洗之后，煤中灰和硫含量均低于1％灰含量与萃取法相比偏高，需要进一步的清洁或定期更换电解质，但煤的加工过程成本较低。由于DCFC的电解质材料成本较低，在一定时间内更换电解质材料是可以的。

中国矿业大学提出了一种煤基碳燃料电池硫处理工艺，通过对现有工艺进行分析，提出洗选、化学氧化、电化学氧化、离子液体萃取、溶剂萃取和高温固硫的多过程处理工艺，能够有效降低硫的含量。但是第一其步骤比较复杂，增加了整个碳燃料电池本身的成本，第二是电化学氧化过程中在电解质中发生，容易对整个化学反应过程造成影响，破坏阴阳极的活性。

实用新型内容

为了提高电池的工作效率，提高电池的综合性能，满足目前DCFC对碳燃料的纯度要求，需要以煤为主要原料，本实用新型提供了一种碳燃料电池煤基燃料联合处理装置及其处理方法，探索纯度碳的制备工艺和转化技术，提高电池的工业化推广能力。

本实用新型的目的在于提供一种碳燃料电池煤基燃料联合处理装置。