阅读说明：本技术 一种直接煤燃料电池电堆发电设备及发电方法 (Direct coal fuel cell stack power generation equipment and power generation method ) 是由 *** 翟朔 陈彬 刘涛 于 2019-09-30 设计创作，主要内容包括：本发明提供的一种直接煤燃料电池电堆发电设备及发电方法,包括：壳体；依次设置在壳体内的高温脱硫层、第一孔洞层和第二孔洞层；由高温脱硫层、第一孔洞层和第二孔洞层分隔而成的煤气化腔、燃料气分流腔、管式电池腔和电池尾气腔；设置在壳体上的气体入口、尾气出口、通风口和设置在所述通风口前端的鼓风装置。本发明通过将煤气化腔与管式电池腔分开设置,在煤气化腔与管式电池腔之间设置高温脱硫层,可以避免固体碳气化后含有的少量含硫气体对阳极催化剂的毒化作用；硫化后的CO通过燃料气分流腔分流进入管式电池中,设备结构紧凑,避免了CO的管道输运与分离式除硫器所带来的气体压力流损与降温所带来的热力学损失,提升整体发电效率。(The invention provides direct coal fuel cell pile power generation equipment and a power generation method, which comprise the following steps: a housing; the high-temperature desulfurization layer, the first hole layer and the second hole layer are sequentially arranged in the shell; the coal gasification device comprises a coal gasification cavity, a fuel gas diversion cavity, a tubular battery cavity and a battery tail gas cavity, wherein the coal gasification cavity is formed by separating a high-temperature desulfurization layer, a first hole layer and a second hole layer; the device comprises a gas inlet, a tail gas outlet and a vent which are arranged on a shell, and a blower device arranged at the front end of the vent. According to the invention, the coal gasification cavity and the tubular battery cavity are separately arranged, and the high-temperature desulfurization layer is arranged between the coal gasification cavity and the tubular battery cavity, so that the poisoning effect of a small amount of sulfur-containing gas contained after solid carbon is gasified on the anode catalyst can be avoided; and the vulcanized CO enters the tubular cell through the fuel gas shunting cavity in a shunting manner, so that the equipment structure is compact, the gas pressure flow loss and the thermodynamic loss caused by cooling caused by the pipeline transportation of the CO and the separation type desulfurizer are avoided, and the overall power generation efficiency is improved.)

一种直接煤燃料电池电堆发电设备及发电方法

技术领域

本发明涉及直接煤燃料电池技术领域，具体涉及一种直接煤燃料电池电堆发电设备及发电方法。

背景技术

能源是国民经济的支柱，是人类社会发展所必需的推动力。直接煤燃料电池能够整合利用煤炭，通过高温下CO₂与C的气化反应生成CO作为燃料气，实现高效电化学发电，有望成为未来能源供应系统的重要组成部分。

煤燃料输送是直接煤燃料电池电堆设计的难点，平板式固体氧化物燃料电池采用双极集流体和电池膜电极交替堆叠结构，但空间上限制了煤通过流道传输至电池阳极，进而限制了CO的管道输运。现有的管式固体氧化物燃料电池采用阳极在管外，阴极管内，直接***煤粉的设计方案虽然解决了煤通过流道传输至电池阳极的问题，但是煤粉与电池表面直接接触，在电池消耗煤粉时以及结束放电排灰过程中，煤粉及灰分固体颗粒的运动会摩擦阳极表面，致其阳极表面破碎与性能下降。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种直接煤燃料电池电堆发电设备及发电方法，旨在解决现有技术中平板式固体氧化物燃料电池采用双极集流体和电池膜电极交替堆叠结构，空间上限制了煤通过流道传输至电池阳极，以及管式固体氧化物燃料电池直接***煤粉的设计方案，煤粉及灰分固体颗粒的运动会摩擦阳极表面，致其阳极表面破碎与性能下降等问题。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种直接煤燃料电池电堆发电设备，其中，包括：内部中空的壳体；

所述壳体内依次设置有高温脱硫层、第一孔洞层和第二孔洞层；所述高温脱硫层、第一孔洞层和第二孔洞层将所述壳体内部分隔为煤气化腔、燃料气分流腔、管式电池腔和电池尾气腔；

所述管式电池腔内设置有至少一个管式电池；所述第一孔洞层和所述第二孔洞层上分别设置有至少一个孔洞；所述管式电池安装于所述第一孔洞层和所述第二孔洞层的孔洞中；

所述壳体上设置有气体入口、尾气出口、通风口和设置在所述通风口前端的鼓风装置；

所述气体入口与所述煤气化腔相连通；所述尾气出口与所述电池尾气腔相连通；所述通风口与所述管式电池腔相连通。

所述的直接煤燃料电池电堆发电设备，其中，所述壳体由内部中空的第一壳体和第二壳体对接而成，所述第一壳体与所述第二壳体可拆卸连接。

所述的直接煤燃料电池电堆发电设备，其中，所述设备还包括：分别与所述尾气出口与所述气体入口相连接的连接管道，所述连接管道用于将所述尾气出口产生的尾气循环至所述气体入口。

所述的直接煤燃料电池电堆发电设备，其中，所述壳体上还设置有与所述煤气化腔相连通的煤粉入口，所述煤粉入口用于向所述煤气化腔内加入煤。

所述的直接煤燃料电池电堆发电设备，其中，所述壳体下端设置有与所述煤气化腔相连通的排灰分伐；所述排灰分伐下端设置有煤灰分槽。

所述的直接煤燃料电池电堆发电设备，其中，所述壳体上还设置有与所述管式电池腔相连通的空气出口。

所述的直接煤燃料电池电堆发电设备，其中，所述第一孔洞层和所述第二孔洞层上的孔洞对称设置；所述管式电池安装于所述第一孔洞层和所述第二孔洞层的对称孔洞上。

所述的直接煤燃料电池电堆发电设备，其中，所述孔洞大小与所述管式电池两端尺寸相匹配；所述管式电池通过高温密封胶与所述第一孔洞层和所述第二孔洞层密封连接。

所述的直接煤燃料电池电堆发电设备，其中，所述管式电池腔的工作温度为750～800℃；所述管式电池腔的工作温度比所述煤气化腔的工作温度高50℃。

一种所述的直接煤燃料电池电堆发电设备的发电方法，其中，包括步骤：

二氧化碳气体通过气体入口与所述煤气化腔内的煤反应产生一氧化碳气体；

产生的一氧化碳气体经过所述高温脱硫层脱硫后依次进入所述燃料气分流腔和所述管式电池内部；

从所述通风口流入的空气从所述管式电池外侧得到电子生成氧离子，所述氧离子进入所述管式电池内部与所述管式电池内部的一氧化碳发生电化学反应，向外释放出电子。

本发明的有益效果：本发明的直接煤燃料电池电堆发电设备通过将煤气化腔与管式电池腔分开设置，在煤气化腔与管式电池腔之间设置用于对煤气化腔产生的CO进行脱硫的高温脱硫层，可以避免固体碳气化后含有的少量含硫气体对阳极催化剂的毒化作用；硫化后的CO通过燃料气分流腔分流进入管式电池中，设备结构紧凑，避免了CO的管道输运与分离式除硫器所带来的气体压力流损与降温所带来的热力学损失，提升整体发电效率。

附图说明

图1是本发明的直接煤燃料电池电堆发电设备的正面剖视图；

图2是本发明的直接煤燃料电池电堆发电设备的第一壳体及其内部结构的三维立体图；

图3是本发明的直接煤燃料电池电堆发电设备的第一壳体及其内部结构的剖视图；

图4是本发明的直接煤燃料电池电堆发电设备的第二壳体及其内部结构的三维立体图；

图5是本发明的直接煤燃料电池电堆发电设备的第二壳体及其内部结构的剖视图；

图6是本发明的直接煤燃料电池电堆发电设备的发电方法的较佳实施例的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

由于现有技术中的平板式固体氧化物燃料电池采用双极集流体和电池膜电极交替堆叠结构，空间上限制了煤通过流道传输至电池阳极；而直接***煤粉的设计方案虽然解决了煤通过流道传输至电池阳极的问题，但煤粉及灰分固体颗粒的运动会摩擦阳极表面，致其阳极表面破碎与性能下降。为了解决上述问题，本发明提供了一种直接煤燃料电池电堆发电设备，如图1所示。本发明的设备包括：内部中空的壳体1；依次设置在所述壳体1内的高温脱硫层2、第一孔洞层3和第二孔洞层4；所述高温脱硫层2、第一孔洞层3和第二孔洞层4将所述壳体1内部分隔为煤气化腔5、燃料气分流腔6、管式电池腔7以及电池尾气腔8。所述管式电池腔7内设置有至少一个管式电池9，所述第一孔洞层3上设置有至少一个孔洞3-1，所述第二孔洞层4上也设置有至少一个孔洞层4-1，所述管式电池9安装在所述孔洞3-1和所述孔洞4-1中。所述壳体1上还设置有气体入口10、尾气出口11、通风口12和设置在所述通风口12前端的鼓风装置13。并且所述气体入口10与所述煤气化腔5连通，所述尾气出口11与所述电池尾气腔8连通，所述通风口12与所述管式电池腔7连通。所述设备在工作过程中，可以由气体入口10通入二氧化碳气体，二氧化碳气体会与煤气化腔5中的煤发生逆Boudouard反应：C+CO₂＝2CO，产生大量的CO燃料气。CO经过高温脱硫层2进行脱硫处理后，进入燃料气分流腔6，经过所述燃料气分流腔6分流进入管式电池9内部。由鼓风装置13从通风口12通入的空气在管式电池9管外得到电子生成O^2-，O^2-与管式电池9内部的CO发生电化学反应，向外电路放出电子的同时生成CO₂由尾气出口11排出。煤和管式电池分别放置在煤气化腔5和管式电池腔7中，不直接接触不会造成煤与电池表面摩擦造成电池性能下降；此外高温脱硫层2能够对煤气化腔5产生的CO进行脱硫，可以避免煤粉气化后含有的少量含硫气体对阳极催化剂的毒化作用。

进一步地，本实施例中所述高温脱硫层2，可填充石灰石、白云石或消石灰等颗粒脱硫剂完成脱硫过程，高温脱硫层2的设计可以避免煤气化后含有的少量含硫气体对阳极催化剂的毒化作用，例如当阳极催化剂为Ni颗粒时，可以避免含硫气体使得催化剂Ni颗粒被硫化形成NiS、Ni₃S_x等低催化活性物质。所述管式电池9由管内的阳极层和管外的阴极层以及设置在阳极层和阴极层之间的电解质组成。所述电池阳极层为传统固体氧化物燃料电池所采用的Ni与电解质粉末复合多孔阳极，所述电解质为常用的阳离子电解质如8mol％Y₂O₃-ZrO₂、Ce_0.8Sm_0.2O_1.9、Ce_0.8Gd_0.2O_1.9。所述阴极电极层主要由上述电解质材料与固体氧化物电池常用经典阴极材料,如(La_0.80Sr_0.20)_0.95MnO₃,(La_0.60Sr_0.40)_0.95Co_0.20Fe_0.80O₃等组成的复合多孔电极。具体实施时，由鼓风装置13从通风口12通入的空气在管式电池9管外的阴极层上得到电子生成O^2-，O^2-在浓度差和电势差驱动下穿过电解质层到达管式电池9内的阳极层，在阳极层与CO发生电化学反应，向外电路放出电子形成完整电流回路，从而发电。

具体实施时，所述壳体1由内部中空的第一壳体1-1和第二壳体1-2对接而成，所述第一壳体1-1和所述第二壳体1-2可拆卸连接也可以固定连接。在一具体实施方式，如图1所示，所述第一壳体1-1和所述第二壳体1-2通过端板螺母14可拆卸连接。将煤气化反应和电池电化学反应设置在可拆卸的壳体内进行，整个设备结构紧凑，气体传输的管路损失小，且电池电化学反应产生的热量能够通过腔体导热、热辐射等方式加热煤气化腔5，补充逆Boudouard反应所需热量，无需外部加热，能够提升设备的发电效率。

进一步地，由于本实施例中管式电池9管口富集的CO₂气体于电池尾气腔8中汇聚后通过尾气出口11排出，该尾气由于富含CO₂且温度较高，将尾气出口11排出的CO₂循环至气体入口10，用作煤的气化剂，不仅可以循环利用CO₂并且可以利用其废热保持煤气化腔5的工作温度。在本发明的一具体实施例中，所述设备还包括一连接管道，所述尾气出口11与所述气体入口10分别与所述连接管道的两端连接，用于将所述尾气出口11产生的尾气循环至所述气体入口10。

具体地，为了使整个设备处于自维持状态，本实施例中所述管式电池腔7的工作温度为750～800℃，以避免由于温度过高而影响整个装置的长期稳定性。所述管式电池腔7的工作温度比所述煤气化腔5的工作温度高50℃，从而使得煤气化腔5的CO产气速率与管式电池腔7消耗CO速率相匹配，并且由管式电池腔7传导至煤气化腔5的热量能够维持煤气化腔5的工作温度在700～750℃。

具体实施时，所述壳体1上还设置有与所述煤气化腔5相连通的煤粉入口15，所述煤粉入口15用于向所述煤气化腔5中加入煤粉，从而实现煤的循环与持续供应。在一具体实施方式中，所述煤粉入口15设置在所述壳体1的上端，通过煤粉的加入速率与加入量可以控制电堆发电量，当对电力需求较小时，电堆将工作在较低电流下，此时可以通过减小加入煤粉速率或煤粉量来控制CO产生速率，以减小电化学反应速率，使输出功率减小；反之，当对电力需求较大时，则可以增加煤粉加入量或加入速率。由于CO产生速率是由煤粉和CO₂通入量同时决定的，同理也可以通过降低被循环的尾气CO₂流量来减小电化学反应速率或者增加被循环的尾气CO₂流量来增加电化学反应速率。

进一步地，本实施例中所述壳体1上还设置有与所述煤气化腔5相连通的排灰分伐16，所述煤气化腔5中不可燃的煤灰分颗粒与未燃尽的煤颗粒沉降于所述煤气化腔5底部，经过一段时间的积累，可以打开所述排灰分伐16进行排灰操作。在一具体实施方式中，所述排灰分伐16设置在所述壳体1的下端，所述排灰分伐16的下端还设置有煤灰分槽17，所述煤灰分槽17用于收集所述排灰分伐16排出的不可燃的煤灰分颗粒与未燃尽的煤颗粒。本实施例中所述煤粉入口15设置在壳体1上端，所述排灰分伐16设置在壳体1下端，采用由上至下的煤粉供应方式与下部灰分的排口设计保证了煤燃料的快速持续供应，可提升CO供应量，降低电堆CO浓度损失，避免了电池阳极与煤颗粒直接接触所可能导致的机械性破坏。

具体实施时，本实施例中所述壳体1上还设置有与所述管式电池腔7相连通的空气出口18。鼓风装置13通过通风口12向所述管式电池腔7内通入空气，空气中的O₂从管式电池9外侧阴极层获得电子生成O^2-，而成为贫氧的空气经空气出口18直接排放到空气中，从而增加所述管式电池腔7内空气流通，有利于加快管式电池9的电化学反应。在一具体实施方式中，所述空气出口18设置在所述壳体1的上端，与所述通风口12和鼓风装置13上下相对设置，有利于所述管式电池腔7内空气流通。

具体实施时，所述第一孔洞层3和所述第二孔洞层4平行设置，且所述第一孔洞层3上的孔洞3-1和所述第二孔洞层4上的孔洞4-1对称设置，如孔洞3-1设置在第一孔洞层3的中心位置，则孔洞4-1也设置在所述第二孔洞层4的中心位置。所述管式电池9安装于所述第一孔洞层3和所述第二孔洞层4的对称孔洞上，使得所述管式电池9平行于所管式电池腔7设置，这样燃料气分流腔6内的CO能够平行分流进入管式电池9内部，有利于CO的分流。

进一步地，所述孔洞3-1与孔洞4-1的大小与所述管式电池9两端尺寸及两端横截面积尺寸相匹配，即若所述管式电池9两端横截面为矩形，则所述孔洞3-1和孔洞4-1也为矩形，若所述管式电池9两端横截面为圆形，则所述孔洞3-1和孔洞4-1也为圆形，且所述孔洞3-1和孔洞4-1的面积设置得略大于所述管式电池9两端横截面的面积，使得所述管式电池9两端刚好***所述孔洞3-1与孔洞4-1中。且为了更进一步的使得煤气化腔5中产生的CO只流入管式电池9内部，而不会流入其它地方造成能源浪费，本实施例在所述管式电池9与所述孔洞3-1和孔洞4-1的连接处通过高温密封胶19进行密封连接，前述步骤中提到所述管式电池腔7的工作温度为750～800℃，因此所述高温密封胶19的工作温度必须高于此温度，在一具体实施方式中，所述高温密封胶19为耐1250℃的高温玻璃密封胶。

具体实施时，本实施例中所述第一壳体1-1和所述第二壳体1-2的形状可以为管桶状、箱式、扁桶腔体形状等。在一具体实施方式中，当所述第一壳体1-1为内部中空的管桶状时，所述第一壳体及其内部结构的三维立体图及剖视图如图2和图3所示，所述第一壳体1-1的圆形底面中一个为开口面，另一个为封闭面。所述第一壳体1-1上所述封闭面的中心位置设置有气体入口10，在所述第一壳体1-1内部设置有高温脱硫层2，所述高温脱硫层2与所述第一壳体1-1的封闭面形成了一个空腔即煤气化腔5。以所述第一壳体1-1的封闭面和开口面分别为左端和右端，则所述第一壳体1-1侧面上端与煤气化腔5相连通设置有煤粉入口15，所述第一壳体1-1侧面下端与所述煤粉入口15相对的位置设置有与煤气化腔5相连通的排灰分伐16。所述第一壳体1-1内与所述高温脱硫层2平行间隔设置有第一孔洞层3，所述第一孔洞层3上垂直于所述第一孔洞层3设置有若干孔洞3-1。所述高温脱硫层2与所述第一孔洞层3之间形成燃料气分流腔6。

进一步地，当所述第二壳体1-2为内部中空的管桶状时，所述第二壳体及其内部结构的三维立体图及剖视图如图4和图5所示。所述第二壳体1-2也为内部中空的管桶状，所述第二壳体1-2的两个圆形底面中一个为开口面，另一个为封闭面，所述封闭面的中心位置设置有尾气出口11。所述第二壳体1-2内部靠近所述开口面的一端设置有第二孔洞层4，当所述第二壳体1-2与所述第一壳体1-1通过端板螺母14连接时，所述第二孔洞层4与所述第一孔洞层3形成管式电池腔7。所述第二孔洞层4与所述第二壳体1-2的封闭面形成电池尾气腔8，所述尾气出口11与所述电池尾气腔8相连通。所述第二孔洞层4上垂直于第二孔洞层4设置有若干孔洞4-1。所述第二壳体1-2上与所述管式电池腔7连通设置有空气出口18和通风口12，所述空气出口18和通风口12上下对称设置在所述第二壳体部件1-2侧面上。在一具体实施例中，以所述第二壳体部件1-2的开口面和封闭面分别为左端和右端，则所述通风口12设置在所述第二壳体1-2侧面下端，所述空气出口18设置在所述第二壳体1-2侧面上端。当然，本实施方式中的通风口12可以设置在所述第二壳体1-2侧面的右下端或左下端等，本申请对此不作限定。

具体实施时，管式电池9通过孔洞3-1和孔洞4-1安装到管式电池腔7中，孔洞3-1和孔洞4-1分别对称设置在第一孔洞层3与第二孔洞层4上，管式电池9的两端安装在所述第一孔洞层3与所述第二孔洞层4的对称孔洞3-1和孔洞4-1上，使得管式电池9平行于管式电池腔7设置。CO₂由气体入口10通入后与煤粉入口15投入的煤粉接触发生逆Boudouard反应生成CO，CO经过高温硫化层2进行脱硫处理后进入燃料气分流腔6后，分流进入管式电池9内部。鼓风装置13鼓入的空气进入管式电池腔7中从管式电池9外侧得到电子成为O^2-，然后进入管式电池9内部与CO反应产生电子并释放出CO₂，CO₂进入电池尾气腔8，并经过尾气出口11排出。

此外，本发明还提供一种上述直接煤燃料电池电堆发电装置的发电方法，如图6所示，其包括以下步骤：

S100、二氧化碳气体通过气体入口与所述煤气化腔内的煤反应产生一氧化碳气体；

S200、产生的一氧化碳气体经过所述高温脱硫层脱硫后依次进入所述燃料气分流腔和所述管式电池内部；

S300、从所述通风口流入的空气从所述管式电池外侧得到电子生成氧离子，所述氧离子进入所述管式电池内部与所述管式电池内部的一氧化碳发生电化学反应，向外释放出电子。

本实施例中煤气化反应在独立的煤气化腔中进行，气体入口通入的二氧化碳气体与煤气化腔内的煤发生逆Boudouard反应生成一氧化碳气体。由于反应的煤中含有硫等杂质，产生的一氧化碳气体中也含有硫杂质，而硫杂质会腐蚀管式电池阳极催化剂如Ni颗粒，将高催化活性的Ni颗粒硫化为低催化活性物质如NiS、Ni₃S_x等。因此本实施例中将产生的一氧化碳气体经过高温硫化层脱硫后再进入燃料气分流腔中，经过燃料气分流腔分流后进入管式电池内部。

进一步地，管式电池由管内的阳极层和管外的阴极层以及设置在阳极层和阴极层之间的电解质组成。当发电装置接有外部负载时，通过鼓风装置由通风口鼓入管式电池腔中的空气会从管式电池外侧的阴极层获得电子变成O^2-，O^2-在浓度差和电势差驱动下穿过电解质层到达管式电池内的阳极层，与阳极层内的一氧化碳气体接触发生电化学反应释放出电子并生成CO₂由尾气出口排出，从而完成发电。煤气化反应与电化学反应分别在煤气化腔和管式电池腔中进行，能够实现煤的循环与持续供应，煤粉不与管式电池直接接触，避免了煤颗粒、灰分与阳极的接触，提升电池的长期稳定性。

综上所述，本发明提供的一种直接煤燃料电池电堆发电设备及发电方法，包括：内部中空的壳体；依次设置在所述壳体内的高温脱硫层、第一孔洞层和第二孔洞层；由高温脱硫层、第一孔洞层和第二孔洞层分隔而成的煤气化腔、燃料气分流腔、管式电池腔和电池尾气腔；以及设置在壳体上的气体入口、尾气出口、通风口和设置在所述通风口前端的鼓风装置。本发明通过将煤气化腔与管式电池腔分开设置，在煤气化腔与管式电池腔之间设置用于对煤气化腔产生的CO进行脱硫的高温脱硫层，可以避免固体碳气化后含有的少量含硫气体对阳极催化剂的毒化作用；硫化后的CO通过燃料气分流腔分流进入管式电池中，设备结构紧凑，避免了CO的管道输运与分离式除硫器所带来的气体压力流损与降温所带来的热力学损失，提升整体发电效率。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。