[发明专利]直接碳燃料电池

说明书

本发明提供一种直接碳燃料电池，包括依次设置的碳燃料层、阳极、电解质及阴极，还包括阳极进排气室和阴极室，阳极进排气室设于碳燃料层背离阳极的一侧，阳极进排气室内通入有NO气体作为碳气化工质与碳燃料层发生碳气化反应，并产生包含燃料气体的气化产物；阴极室设于阴极背离电解质的一侧，阴极室内通入有空气，空气在阴极发生还原反应，阴极产生的还原产物经过电解质进入阳极，并与进入到阳极的燃料气体发生氧化反应。本发明通过将NO作为碳气化工质参与碳气化反应，能够提高碳气化反应速率，实现碳气化速率与传质速率、电化学反应速率的更优匹配，提高直接碳燃料电池的输出性能，促进直接碳燃料电池的高效、大规模利用。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体为一种直接碳燃料电池。

背景技术

随着现代文明的不断发展，人们对能源的依赖程度日益提高，化石能源供不应求，能源转型是时代发展所面临的必然趋势；同时，全球气候变暖的环境问题使得“低碳”成为能源转型中的关键目标。为实现能源可持续性利用、建立健全绿色低碳循环发展经济体系，目前迫切需要能源供给和消费侧的技术更新与升级。

燃料电池作为一种先进的能源转换设备，能够通过电化学反应直接将燃料中的化学能转化成电能，有着能量效率高、环境友好、易于模块化、无噪音、适应范围广等优点，有望在集中式发电、分布式发电、交通运输、应急备用电源等多种电力供应/消费场景中发挥巨大作用。

相比于其他类型的燃料电池，固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell，SOFC)有着全固态结构、反应动力学优异、无需贵金属催化剂、燃料灵活性高等不可替代的优点。得益于较高的工作温度(～800℃)和灵活的催化剂选用，SOFC不仅可以使用H₂作为燃料来源，还可以使用CO、CH₄、NH₃、煤炭、生物质、废弃有机物等多种物质作为燃料。

通过SOFC利用固态碳燃料进行直接转化发电的技术被称为直接碳燃料电池(Direct Carbon Fuel Cell，DCFC)。由于固态碳燃料的特性，DCFC相比于利用H2等气态燃料发电的SOFC有着体积能量密度大、燃料来源广泛、成本较低等优点，相比于传统火力发电站等利用固态碳进行发电的技术，DCFC更是有着能量效率高、系统简单、易于模块化、环境友好等巨大优势，因此DCFC是一种极具发展潜力和市场前景的发电技术。

研究已经发现，决定DCFC输出性能的重要因素是碳气化过程的反应速率。目前在直接碳固体氧化物燃料电池(Direct Carbon-Solid Oxide Fuel Cell，DC-SOFC)中使用二氧化碳作为气化剂已被证明是可行的，但CO₂与碳燃料在电池环境下的反应速率仍不够高，与传质速率、电化学反应匹配程度不好，从而限制了DCFC的输出功率性能。并且CO₂辅助的DC-SOFC的工作温度通常很高，限制了互连材料的选择，导致催化剂颗粒在长期运行中变粗，导致DC-SOFC成本高、耐久性差。

发明内容

针对以上问题，本发明提供了一种直接碳燃料电池，通过采用NO作为碳气化工质，提高碳气化速率，提高直接碳燃料电池输出性能。

本发明提供一种直接碳燃料电池，包括依次设置的碳燃料层、阳极、电解质及阴极，还包括阳极进排气室和阴极室，阳极进排气室设于碳燃料层背离阳极的一侧，阳极进排气室内通入有NO气体作为碳气化工质与碳燃料层发生碳气化反应，并产生包含燃料气体的气化产物；阴极室设于阴极背离电解质的一侧，阴极室内通入有空气，空气在阴极发生还原反应，阴极产生的还原产物经过电解质进入阳极，并与进入到阳极的燃料气体发生氧化反应。