[发明专利]熔融碳酸盐直接碳燃料电池系统和方法

说明书

描述了一种直接碳燃料电池系统。系统包括燃料电池，每个燃料电池具有多孔燃料电池阳极和燃料电池阴极。系统还包括熔融碳酸盐电解质和燃料供应装置，该燃料供应装置用于使具有碳颗粒和碳载体流体的燃料浆料并行地流至燃料电池阳极。碳载体流体具有与熔融碳酸盐电解质相同的组成。氧化剂供应装置使含氧流并行地流向燃料电池阴极。电解质循环装置使熔融碳酸盐电解质与燃料电池中的每一个燃料电池接触地循环。在直接碳燃料电池系统生成电力的操作期间，碳在燃料电池阳极处氧化以产生二氧化碳，并且在燃料电池阴极处氧和二氧化碳反应以产生碳酸根离子。

技术领域

本公开涉及一种熔融碳酸盐直接碳燃料电池系统及其操作。

背景技术

一个多世纪以来，人们一直在探索将碳直接转化为电力，过去主要集中于高碳燃料原料(诸如，煤和生物质)。近期的关注点继续由对能源和环境的关注所激发。直接碳燃料电池(DCFC)的特征在于高效率(理论上为100％)和低排放，因为初级输出产物是纯二氧化碳(CO₂)，其可被隔离或用作各种工艺中的工业原料。然而，DCFC技术的特征在于许多技术挑战，并且尚未达到其适于广泛商业采用的开发阶段。

直接碳转化是可以用不同燃料电池技术实现的高温过程，固体氧化物燃料电池(SOFC)和熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)是最常见类型的DCFC。

典型的熔融碳酸盐直接碳燃料电池(MC-DCFC)100示意性地在图1中示出。如图1中所示，二氧化碳(在阳极处产生)在阴极处与空气混合并且经历碳酸盐形成反应——参见以下方程式(1)。在阴极处形成的碳酸根离子被传导通过熔融碳酸盐(MC)电解质，其中，在正确条件下，在阳极的三相边界处，它们氧化固体碳燃料以产生二氧化碳——参见以下方程式(2)。在这种情况下，三相边界(TPB)是碳燃料与离子导电熔融碳酸盐电解质和载流电极两者接触的位置，该载流电极可以经由负载将电子传导至阴极以完成电化学反应并且产生电力。可以分离在碳氧化反应中产生的一部分产物二氧化碳并且引导至阴极以补充消耗的碳酸根离子并且继续反应。净反应在以下方程式(3)中示出。在化学计量的基础上，阴极将消耗在阳极处产生的二氧化碳的2/3。

阴极：O2+2CO₂+4e^-→CO₃^2- (1)

阳极：C(s)+2CO₃2^-→3CO₂+4e^- (2)

净反应：C(s)+O₂→CO₂ (3)

实际上，存在可以在MCDCFC中的温度下发生的许多其他反应。最值得注意的是，碳也可以在CO2的存在下进行反向Boudouard反应，如方程(4)所示。

反向Boudouard：

这是平衡反应并且不涉及电子的转移。由碳气化产生的一氧化碳(CO)也可以在电化学反应中被消耗，例如，如等式(5)中所示。在这种情况下，每摩尔碳仅交换2个电子而不是4个，因此这个反应降低了总反应效率。

阳极：CO+CO₃^2-→2CO₂+2e^- (5)

并非所有由反向Boudouard反应产生的CO都必须进行电化学转化，而是可以与产物气体一起排出，再次降低总效率，此外，污染CO₂排气流，这可能导致需要昂贵的后处理或气体净化。

与气态燃料不同，确保固体碳颗粒在阳极处建立TPB位点是一个相当大的挑战。碳颗粒的迁移率、其可用于与阳极电极建立电接触的相对表面积、以及碳在电解质中的可润湿性(以促进碳酸盐离子交换)是需要控制的因素，在DCFC中实现合理的功率密度和碳转换效率。