[发明专利]一种管式直接碳燃料电池多联产的装置及方法

说明书

本发明公开了一种管式直接碳燃料电池多联产的装置，包括电加热炉和穿设在电加热炉中的刚玉管，刚玉管上开设有容置管式直接碳燃料电池的槽口，管式直接碳燃料电池为从外向内依次包覆的阴极层、电解质层和阳极层组成的用于装填碳质燃料的空心结构，阴极层和阳极层与电化学工作站连接，刚玉管的入口并与供气系统连接，刚玉管的管体中设置有细刚玉管；本发明还公开了一种碳质燃料多联产的方法，该方法将碳质燃料装填在空心结构中后加热进行转化，并进行电池性能检测和尾气组成分析。本发明的装置通过对管式直接碳燃料电池结构的设置，将碳质燃料转化为电能同时得到富CO气体以及多孔炭材料，实现了多联产转化；本发明的方法工艺简单，容易控制。

技术领域

本发明属于煤炭清洁转化技术领域，具体涉及一种管式直接碳燃料电池多联产的装置及方法。

背景技术

随着社会与经济的发展，能源与环境成为人类必须面临的两大课题，特别是在我国经济进入“新常态”的发展阶段后，能源消费、能源强度和碳排放等方面将面临新的挑战和要求，主要表现在能源结构的转型、能源效率的提升以及能源消费结构低碳化、清洁化等。从现阶段的能源结构来看，决定了我国长期以来以煤炭消费为主的能源结构和高碳特征的经济形势，也由此带来能源与环境两方面的压力。煤炭作为我国一次能源供给的主要来源，长期以来占一次能源消费总量的50％以上，并且在未来相当长的时期内，仍将在能源结构中占主导地位。然而，现阶段煤炭主要是通过直接燃烧进行能量转化，由于受卡诺循环限制使得其能量转化效率较低，而且直接燃烧过程产生大量的CO₂、NO_x、硫化物及粉尘等温室气体和有害物质，给环境带来巨大压力。特别是“2030年碳达峰、2060年碳中和”的目标对促进煤炭利用技术革命提出挑战。因此，寻求更加清洁、高效的煤炭转化方式成为能源转化领域和煤炭利用行业的热点研究问题。

针对我国能源技术现状，国家积极推进能源技术革命创新行动，并瞄准绿色低碳能源发展方向，提出在传统化石能源利用方面需要进一步发挥煤炭气化、液化、热解等煤炭深加工技术的产业化优势，积极推进低阶煤分级分质利用的工业示范，加强煤炭热解、半焦利用的技术创新，研究开发煤化工和燃料电池等相关技术的耦合集成，有效实现能量梯级利用和物质循环利用。

从洁净煤技术研究领域出发，煤炭分质转化是实现多联产和能量梯级利用的有效途径，其以煤炭中低温热解为核心，实现产物的气、液、固分离，再进一步对各产物进行高效转化利用。然而，半焦的利用目前仍然以传统消费方式为主，一方面利用效率较低，另一方面其利用市场有限。因此，以低阶煤热解为核心的分质转化技术依然面临半焦产品的清洁、高效利用难题。

作为洁净煤技术的重要发展领域之一的燃料电池技术，因环境友好、能量转化效率高为我们破解能源和环境问题提供了解决思路。燃料电池是将燃料具有的化学能直接变为电能的发电装置，由于不受卡诺循环限制，所以其能量转化效率高，而且其环境污染小，被认为是最具潜力的发电技术。在燃料电池的燃料中，碳元素因具有高的能量存载密度和丰富的储量，被认为是具有良好发展前景的电池燃料，实现富碳燃料如煤炭、生物质、固体废弃物等的化学能清洁、高效地转换为电能能有效地缓解能源危机和环境污染问题，因此直接碳燃料电池(Direct carbon fuel call，DCFC)的研究逐渐受到关注。

结合煤炭分质转化技术和直接碳燃料电池技术的特点，开发煤燃料DCFC、半焦燃料DCFC以及煤热解与半焦DCFC转化集成技术对实现煤炭清洁、高效转化，拓展半焦利用市场，进一步延伸煤化工产业链，实现煤化工与燃料电池技术耦合具有重要意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种管式直接碳燃料电池多联产的装置。该装置中将管式直接碳燃料电池设置为从外向内依次包覆的阴极层、电解质层和阳极层组成的空心结构，使得空气中的氧气在阴极层侧转化为氧负离子并输到阳极层侧与碳质燃料及CO反应生成CO₂，产物CO₂再与碳质燃料表面反应生成CO，从而使得管式直接碳燃料电池持续工作将碳质燃料转化为电能，同时得到富CO气体以及多孔炭材料，实现了多联产转化。