本发明专利技术涉及在单步法中于高温电化学发电机中将煤直接转化为电。这一新颖的设想有希望使常规的烧煤方法的转化效率提高接近一倍，并提供接近于零的排放。这一改进的效率意味着仅需要开采接近一半的煤送往发电厂，产生一半的温室气体和其它污染物如硫、汞和二氧岂。还提供了与常规的烧煤方法的若干关键区别。由于该方法不包括在空气中燃烧煤，故其不包括氮，因而实际上不产生ＮＯ↓［ｘ］。因此，也没有对氮的潜热损失。在该方法中，通过离子选择性陶瓷膜电解质供给氧化煤所需的氧气。所得的产品流主要由ＣＯ↓［２］构成，因而与得自常规的燃烧方法（其中ＣＯ↓［２］通常由约１５－２０％的烟气流组成，在这种情况下，在回收之前首先需要将ＣＯ↓［２］与其它组分分离）的废物流相比，能更容易地、以更低的成本捕获和回收。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及燃料电池领域，具体地说，涉及用于将含碳材料(如煤)直接电化学转化为电能的高温燃料电池领域。本专利技术还涉及使用单一温度区的燃料电池。本专利技术还涉及其中阳极表面与碳颗粒直接物理接触的燃料电池。
技术介绍
煤是地球上最丰富和廉价的能源，具有足够的储量来满足未来几十年，甚至几百年世界的大部分能源需求。其它能源如风能、太阳能、地热和核能仅能提供有限的容量。随着人口众多的国家如中国、印度、巴西和俄罗斯的经济的加速快速发展，对能源的需求量也在增加，故对寻找更有效地和可靠地使用煤的方式有更紧迫和迫切的需求，因为这些国家不仅拥有巨大储量的这一有价值的资源，并且大量地用于发电。例如，中国由煤产生超过70％的电。在美国这一数字是约56％。煤的化学能量转化为电通常需要遭受Carnot约束的多个加工步骤，最终导致低转化效率。通常，亚临界烧煤发电厂以33-35％的低效率操作。近来，新兴的煤技术具有稍微改善的效率，可达到42-45％(对于超临界和综合气体联合循环方法)。但是，也有更新的、成本高的技术：成本超过$1700/kW，不捕获CO2；以及成本超过$2200/kW，捕获CO2(N.Holt，GCEP Advanced Coal Workshop，Provo，Utah。March 15、16(2005))。相反地，本文中提出的将煤直接电化学转化为电能的方法是单步法，且不受Carnot约束。因此，它能达到比化学转化方法高得多的转化率。这部分是由于碳电化学转化为二氧化碳的高理论效率上限值，由于反应的熵变接近零，该转化率甚至在高温下保持在约100％。可以在流化床燃料电池中直接煤转化最初由Gur提出(T.M.Gur和R.A.Huggins，J.Electrochem.Soc.139(#10)，L95(1992)，美国专利5,376,469，1994年12月27日)，其利用在固体氧化物燃料电池中的固定碳床。这一早先的尝试使-->用了厚(1.5mm壁)的稳定的氧化锆管。这也是初步的设想证实研究，只是离最佳还很远。无论如何，其成功地证明了可以引出超过30mA/cm2的电流，并得到与理论期望值一致的开路电压。然而，对直接碳转化为电的探索并不是新的，已经充满活力地前赴后继地探索了超过150年。最早的在燃料电池中直接消耗煤的尝试由Becquerel在1855年进行(K.R.Williams，“An Introduction to Fuel Cells”，Elsevier出版公司，Amsterdam，1996年，第1章)。他在使用熔融硝酸钾作为电解质的燃料电池中使用碳棒作为阳极，铂作为氧电极。当氧吹到Pt电极上时，在外电路中观察到电流。但是，他的结果并不令人鼓舞，因为硝酸钾电解质对碳的直接化学氧化。在接近世纪变换时，Jacques(W.W.Jacques，Harper’s杂志，94，144(1896年12月-1897年5月))使用包含在铁坩埚中的氢氧化钠电解质作为空气阴极，碳棒作为可消耗的阳极。在约500℃操作电池，在约1伏特下得到超过100ma/cm2的电流密度。他构造了由超过100个这些电池组成的1.5kW电池组，并间歇性地操作了超过6个月。不幸的是，Jacques并没有给出有关电池性能和其电池组使用寿命的可靠信息。Haber和Brunner(F.Haber和L.Bruner，Z.Elektrochem.，10，697，1904年)提出了，在Jacques电池中的阳极上的电化学反应不是碳的氧化，而是产生了氢，并且由碳与熔融氢氧化钠的反应产生了碳酸钠。由于这一不利的包括电解质的副反应，使其在该环境中不稳定，Baur和其同事(E.Baur，Z.Elektrochem.，16，300(1910)；E.Baur和H.Ehrenberg，Z.Elektrochem.，18，1002(1912)；E.Baur、W.D.Treadwell和G.Trumpler，Z.Elektrochem.，27，199(1921))放弃了熔融碱电解质，用熔融盐如碳酸盐、硅酸盐和硼酸盐取代它们。在1937年，Baur和Preis(E.Baur和H.Preis，Z.Elektrochem.，43，727(1937))提出了，用于化学稳定的电解质的条件只可以通过使用离子导电的固体电解质来满足。为了达到这一目的，他们建造了由浸在普通的磁铁矿(即，Fe3O4)浴中的8个氧化钇稳定的氧化锆电解质坩埚组成的电池组。阳极室用焦炭填充，并在约1050℃操作电池。开路电池组电势为0.83伏特，比用单个电池测得的值低约0.2伏特。在约0.65伏特的电池电压下，电流密度约为0.3mA/cm2，对于实际使用来说太低了。此外，在这些高操作温度下，在热力学上可以仅部分地氧化碳，从而显著地降低燃料电池的效率。-->在最近的几十年中，报道了使用熔融碳酸盐或固体氧化物陶瓷电解质的高温燃料电池。在这些电池中，使用得自碳的燃料(D.H.Archer和R.L.Zahradnik，Chem.Eng.Progr.Symp.Series，63，55(1967))、H2(J.Weissbart和R.Ruka，“Fuel Cells”，第2卷，G.J.Young(ed.)，Reinhold出版公司，纽约(1963))和CH4(J.Weissbart和R.Ruka，J.Electrochem.Soc.，109，723(1962))作为可消耗的气体燃料。目前，正在全世界的各个实验室中开发高温固体氧化物燃料电池使用得自天然气或煤的H2。最近，已经有利用一些形式的熔融介质来由碳产生电的开发成果。使用的熔融介质可以分为两类，即，融熔盐和融熔金属，它们都用作容纳碳源。基于DCFC的融熔盐电解质科学应用和研究协会公司(SARA)已经参与开发在400-500℃操作的熔融氢氧化物燃料电池(www.sara.com/energy；“Caron Air Fuel Cell”，美国专利6,200,697)。该电池由被熔融氢氧化物电解质包围的碳阳极组成。空气强制通过金属阴极，在那里氧还原产生氢氧化物离子。氢氧化物离子通过熔融NaOH电解质输送到阳极，在那里它们与碳阳极反应，释放CO2、H2O和电子。这些电子穿过外电路达到阴极，产生电。基于Weaver和其同事在SRI International进行的早期工作(R.D.Weaver、S.C.Leach、A.E.Bayce和L.Nanis，“Direct Electrochemical Generation of Ele本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种燃料电池，它包括： 阳极； 阳极室； 选择性地输送氧化物离子的固体氧化物电解质；以及 阴极； 其中，所述燃料电池使用含碳燃料， 所述燃料电池使用单一温度区；以及 通过用氧使含碳燃料氧化来产生电流。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2005-5-16 60/681,920;US 2006-3-9 11/372,5531.一种燃料电池，它包括：
阳极；
阳极室；
选择性地输送氧化物离子的固体氧化物电解质；以及
阴极；
其中，所述燃料电池使用含碳燃料，
所述燃料电池使用单一温度区；以及
通过用氧使含碳燃料氧化来产生电流。
2.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，通过加入阳极室中的无机化
合物来实现二氧化碳的回收。
3.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，通过向阳极室中加入选自氧
化钙、氧化镁、白云石、橄榄石、蛇纹石、滑石、云母、粘土和沸石的吸气剂来
实现CO2和SO2的回收。
4.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述阳极的表面与含碳燃料
直接物理接触。
5.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，通过经所述固体氧化物电解
质向阳极提供点阵氧来实现含碳燃料的氧化。
6.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述阳极室包括碳燃料的固
定床，该固定床没有气流。
7.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述阳极室包括由气流搅拌
的含碳燃料的床。
8.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述阳极室包括由气流流化
的含碳燃料的床。
9.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述含碳燃料包括富含碳的
物质。
10.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，它具有壳-管型设计，其中，
粉...
【专利技术属性】
技术研发人员：T古尔，
申请(专利权)人：迪卡朋技术股份有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]
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