基于液态金属阳极直接碳燃料电池的发电储能一体化装置

摘要

本发明属于燃料电池领域，尤其涉及一种基于液态金属阳极直接碳燃料电池的发电储能一体化装置，包括金属熔池、液态金属阳极、管式固体氧化物燃料电池单体、流态化布风给料系统等装置；管式固体氧化物燃料电池可选用盲管与通管，可采用立式或卧式方式插入金属熔池中；给料系统采用载气将燃料以及阳极物料携带进入金属熔池，并完成对熔池内部物质的搅拌；本发明还可将燃料中的化学能和电网中富余的电能转化为液态金属阳极中的化学能储存起来，实现发电装置与储能装置的一体化。本装置设备简单紧凑；碳燃料与金属阳极反应活性高，电池性能好，液态阳极流态化对电池摩擦小，电池寿命长；易于密封、集流方便，便于组成大规模的电堆。

主权项

基于液态金属阳极直接碳燃料电池的发电储能一体化装置，其特征在于，包括：金属熔池外壳(7)、管式固体氧化物燃料电池单体(6)、液态金属阳极(9)和流态化布风给料系统；其中，流态化布风给料系统由进料鼓风机(1)鼓风口垂直对准物料锁斗(2)进口，物料锁斗(2)出口和给料管(3)进口相连而组成；金属熔池外壳(7)的形状为长方体，从其顶部垂直插入并固定住若干数量的流态化布风给料系统；管式固体氧化物燃料电池单体(6)有通管和盲管两种，其布置方式分为立式和卧式两种，即从金属熔池外壳(7)顶部垂直插入或从其侧面水平插入并固定住；管式固体氧化物燃料电池单体(6)、流态化布风给料系统和金属熔池外壳(7)结合处采用高温陶瓷胶密封；金属熔池外壳(7)侧面顶部安装有尾气排出口(8)，侧面中上部安装有排渣口(12)；金属熔池外壳(7)内装有液面高度和排渣口(12)持平但不高于尾气排出口(8)的液态金属阳极(9)；所有管式固体氧化物燃料电池单体(6)之间通过其顶部若干阴极连接线(5)串联起来并连接到外电路负载(14)或外部电源(16)，阳极集流引线(13)将液态金属阳极(9)和外电路负载(14)或外部电源(16)连接；尾气循环(15)将尾气排出口(8)和进料鼓风机(1)连接起来；液态金属阳极(9)的成分包括Li、Na、K、Fe、Ni、Cu、Ag、Pb、Bi、Sn、Sb一种或两种以上金属的合金；所述管式固体氧化物燃料电池单体(6)插在金属熔池内，基于对燃料电池功率的需求确定管式固体氧化物燃料电池单体(6)与液态金属阳极(9)之间的接触面积，并注入足量金属实现液态金属阳极(9)与管式固体氧化物燃料电池单体(6)之间的紧密接触；由进料鼓风机(1)、物料锁斗(2)、给料管(3)组成的流态化布风给料系统从金属熔池外壳(7)上部利用进料鼓风机(1)带来的载气将物料携带进入液态金属阳极(9)内部，并完成液态金属阳极(9)内部物质的搅拌，并产生阳极流态化进料载气气泡(10)；固体碳燃料颗粒(11)由载气携带进入液态金属阳极(9)后与固体氧化物燃料电池单体(6)发生电化学反应产生电能或还原电池运行过程中产生的金属氧化物，尾气由尾气排出口(8)排出，尾气循环(15)以尾气作为载气，降低成本；运行过程中固体氧化物燃料电池阴极气体(4)通入阴极形成阴极气氛，并从外部电路得到电子生成O^2‑，O^2‑在浓度差驱动下穿过电解质层到达阳极，在阳极与固体碳燃料颗粒、碳燃料的各种气化产物以及液态金属发生电化学反应生成CO₂和H₂O和相应的金属氧化物，同时向外电路放出电子，驱动外电路负载(14)；通过补充碳燃料维持燃料电池连续工作与液态金属电极成分的稳定；燃料消耗过程中产生的熔渣在重力的作用下浮于液态金属表面，通过排渣口(12)放出部分金属将熔渣带出；所述装置在无燃料输入且需要电能情况下，阴极所产生的O^2‑输运至阳极后与液态金属反应产生电能，保证用户的电力需要；放电结束后投入碳燃料还原金属阳极完成“化学充电”，或通过外部输入电能，以管式固体氧化物燃料电池作为电解反应器，电解金属氧化物，对阳极金属实现再生。