技术领域
[0001] 本
发明涉及电化学技术领域，尤其涉及一种近零碳排放的直接煤
燃料电池发电系统。
背景技术
[0002] 目前，直接煤燃料电池在利用煤炭的电化学
氧化发电的过程中会释放大量的CO2，
现有技术中没有对所述CO2气体进行有效处理，CO2作为主要的
温室气体，排入到大气中会使
全球变暖，因而利用煤炭的电化学氧化发电所产生的CO2成为一个紧迫的环境问题。
[0003] 因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
[0004] 鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种近零碳排放的直接煤燃料电池发电系统，旨在解决现有直接煤燃料电池，在利用煤炭的电化学氧化放电的过程中，所释放大量的CO2得不到有效处理的问题。
[0005] 本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案如下：
[0006] 一种近零碳排放的直接煤燃料电池发电系统，系统包括用于利用含碳燃料发电的直接煤燃料
电池组，用于将二氧化碳转化为
甲酸和
一氧化碳的金属-二氧化碳电池；
[0007] 所述金属-二氧化碳电池的正极侧与所述直接煤燃料电池组的
阳极气体出口连接。
[0008] 优选地，所述的近零碳排放的直接煤燃料电池发电系统，其中，所述直接煤燃料电池组为基于氧离子导体的管式
固体氧化物燃料电池组，所述管式固体氧化物燃料电池组的阳极为金属镍与
电解质复合的多孔阳极。
[0009] 优选地，所述的近零碳排放的直接煤燃料电池发电系统，其中，所述管式固体氧化物燃料电池组的阳极上沉积有
银纳米颗粒。
[0010] 优选地，所述的近零碳排放的直接煤燃料电池发电系统，其中，所述
电解质的材质为阳离子导体陶瓷。
[0011] 优选地，所述的近零碳排放的直接煤燃料电池发电系统，其中，所述金属-二氧化碳电池包括正极电解液与负极电解液，所述正极电解液与负极电解液通过可透OH-与H+的双极膜隔开。
[0012] 优选地，所述的近零碳排放的直接煤燃料电池发电系统，其中，所述系统还包括第一换热器，所述第一换热器分别与所述直接煤燃料电池组的阳极气体出气端以及所述金属-二氧化碳电池的正极侧连接；所述第一换热器用于对从直接煤燃料电池组的阳极气体出气端出来的气体进行降温。
[0013] 优选地，所述的近零碳排放的直接煤燃料电池发电系统，其中，所述金属-二氧化碳电池的出气端经过所述第一换热器与所述直接煤燃料电池组进气端连接。
[0014] 优选地，所述的近零碳排放的直接煤燃料电池发电系统，其中，所述系统还包括用于将固态煤燃料
气化的气化装置，所述气化装置设置在所述直接煤燃料电池组内。
[0015] 优选地，所述的近零碳排放的直接煤燃料电池发电系统，其中，所述系统还包括第二换热器，所述第二换热器用于对进入所述直接煤燃料电池组的含氧气体进行加热。
[0016] 优选地，所述的近零碳排放的直接煤燃料电池发电系统，其中，所述金属-二氧化碳电池的负极金属为锌或
铝。
[0017] 有益效果：本发明选用基于氧离子导体的管式固体氧化物燃料电池组，在阳极上浸渍Ag纳米颗粒，增加了阳极三相界面的长度且引入了更加稳定的纳米银颗粒
覆盖在阳极表面，可有效提高电池的电化学性能，实现直接煤燃料电池高效稳定的输出。同时，利用直接煤燃料电池与金属二氧化碳电池进行联合，将直接煤燃料电池在工作过程中所产生的二氧化碳转化为甲酸和一氧化碳，并且将转化后的尾气再次通入到直接煤燃料电池，使尾气中的CO以及没有反应完全的CO2加以循环利用，实现近零碳排放。
附图说明
[0018] 图1是本发明实施实例提供的近零碳排放的直接煤燃料电池发电系统的结构
框图。
[0019] 图2是本发明
实施例提供的直接煤燃料电池组的结构示意图。
[0020] 图3是本发明实施例提供的金属-二氧化碳电池的结构示意图。
[0021] 图4是本发明实施例提供的另一近零碳排放的直接煤燃料电池发电系统的结构框图。
具体实施方式
[0022] 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。
[0023] 如图1所示，本发明公开一种低碳排放的直接煤燃料电池发电系统，其含碳燃料发电的直接煤燃料电池组10、金属-二氧化碳电池20、构成。所述金属-二氧化碳电池20的正极侧与所述直接煤燃料电池组10的阳极气体出口连接。
[0024] 现有技术中直接煤燃料电池在利用煤炭的电化学氧化发电的过程中会释放大量的二氧化碳，所释放出的大量二氧化碳作为发电的副产物往往得不到有效的处理，对环境造成极大的危害(
温室效应)。为了解决该技术问题，本发明实施例采用联合发电技术，即将直接煤燃料电池与金属-二氧化碳电池联合使用，将直接煤燃料电池发电过程中所产生的二氧化碳气体通入金属-二氧化碳电池的正极，二氧化碳气体与金属负极组合形成电池，在一定的
电压下将二氧化碳气体转化为高附加值的一氧化碳与甲酸。从而很好的解决了直接煤燃料电池发电所产生的二氧化碳气体得不到有效处理的问题。
[0025] 在一种或多种实施方式中，所述直接煤燃料电池组为基于氧离子导体的管式固体氧化物燃料电池组，所述管式固体氧化物燃料电池组的阳极为金属镍与电解质复合的多孔阳极。
[0026] 具体来说，请参阅图2，所述管式固体氧化物燃料电池组包括本体110，设置在本体一端的进气口1101，设置在本体另一端的出气口1102，靠近进气口一端的本体上表面设置有进料口1103，所述本体内设置的阳极为金属镍与电解质复合的多孔阳极。
[0027] 在一种实施例中，所述管式固体氧化物燃料电池组的阳极上沉积有银纳米颗粒。在阳极上浸渍银(Ag)纳米颗粒增加了阳极三相界面的长度且引入了更加稳定的纳米银颗粒覆盖在阳极表面，可有效提高电池的电化学性能，实现直接煤燃料电池高效稳定的输出。
[0028] 本实施例中，所述金属镍与电解质复合的多孔阳极的制备方法为，将
硝酸银盐溶于去离子
水中，配置成浓度为0.5mol/L渗透的硝酸银阳极浸渍液。将适量的甘
氨酸添加到溶液中起到络合的作用，促进其以较低的
温度形成
钙钛矿相的形成。在
真空条件下，用微升
注射器将硝酸眼浸渍液滴到电池的阳极表面上，五分钟后，待浸渍液渗如阳极骨架中，擦掉阳极表面多余的浸渍液。浸润后的电池在400℃下烧制30分钟，升温速率为2℃/分钟。上述过程重复四次，最后在900℃下
烧结2小时，得到所需的纳米银颗粒浸渍的燃料电池阳极。
[0029] 在一种或多种实施例中，所述金属-二氧化碳电池包括正极电解液与负极电解液，- +所述正极电解液与负极电解液通过可透OH与H的双极膜隔开。
[0030] 如图3所示，具体来说，所述金属-二氧化碳电池包括正极侧210、负极侧220以及设置在所述正极侧与所述负极侧之间的可透OH-离子与H+离子的双极膜230。在所述正极侧还设置有进气口2101和出气口2102，使用过程中直接煤燃料电池组的出气口1102与金属-二氧化碳电池正极侧上的进气口2101相连接，即直接煤燃料电池组在工作中产生的二氧化碳气体经1102排出，经2101进入金属-二氧化碳电池内。
[0031] 在一种实施例中，金属-二氧化碳电池的负极金属可以是锌也可以是铝，所用金属负极可采用粉末，箔，板等多种形式或者及其组合。
[0032] 进一步地，金属-二氧化碳电池正极电解液为CO2饱和的1M KHCO3溶液，电池的负极侧电解液为1M KOH+0.1M
醋酸锌溶液，
电极为Zn金属，正、负极电解液由可透OH-与H+的双极膜隔开，用以保持两极电解液各自的PH值。较佳地，电池的正极侧电解液也可以是NaHCO3溶液，碳酸氢盐浓度可设定为0.5M至6M。
[0033] 电池整体将在室温下发生如下反应，实现CO2的电化学还原：
[0034] 负极：Zn-2θ-→Zn2+
[0035] 正极：CO2+2H++2e-→HCOOH
[0036] CO2+2H++2e-→CO+H2O
[0037] 即通过锌-二氧化碳电池将二氧化碳转化为甲酸与一氧化碳，转化后的一氧化碳与甲酸不会对环境造成影响。
[0038] 如图4所示，在一种或多种实施例中，所述系统还包括用于将固态煤燃料气化的气化装置30，所述气化装置30设置在所述直接煤燃料电池组10内。
[0039] 具体来说，直接煤燃料电池组所用的煤燃料气，可以是先将煤单独气化，将所获取到的煤燃料气通入直接煤燃料电池组进行发电。也可以是在近零碳排放的直接煤燃料电池发电系统设置气化装置，直接利用煤进行发电。即将煤加入气化装置，经过气化装置将煤转变为气态煤燃料气。
[0040] 进一步地，在将煤加入气化装置前，对煤进行前处理，可以是煤炭，即通
过酸处理，对煤炭进行
脱灰、活化处理，降低煤在阳极化学惰性的灰分累积以及煤的
石墨化程度，提升
煤气化效率。
[0041] 进一步地，将处理过的煤混合碳酸盐助剂Li2CO3 K2CO3，CaCO3，加入所述气化装置中，在700-800度的
工作温度下，在载气的辅助下气化，生产富CO煤气燃料，在管式固体氧化物燃料电池电堆的阳极发生电化学还原，实现发电。
[0042] 在一种或多种实施例中，所述系统还包括第一换热器40，所述第一换热器分别与所述直接煤燃料电池组的阳极气体出气端以及所述金属-二氧化碳电池的正极侧连接；所述第一换热器用于对从直接煤燃料电池组的阳极气体出气端出来的气体进行降温。即使进入金属-二氧化碳电池组中的二氧化碳气体温度降下来，以利于转化反应。
[0043] 进一步地，金属-二氧化碳电池组中反应后的尾气经过所述第一换热器降温后，重新通入到直接煤燃料电池组中，用作反应气体，由于其中含有CO，可以提升直接煤燃料电池阳极的CO燃料气浓度，进而降低浓差损失，此外，CO的循环还能提升金属-二氧化碳内部的甲酸转化产率。
[0044] 在一种或多种实施例中，所述系统还包括第二换热器50，所述第二换热器用于对进入所述直接煤燃料电池组管内空气极的空气进行加热。具体来说，在利用直接煤燃料电池管内空气进行发电后温度上升，尾气经过第二换热器与入口空气实现换热，从而提升直接煤燃料电池组的热效率。
[0045] 综上所述，本发明提供了一种低碳排放的直接煤燃料电池发电系统，所述系统包括用于利用煤燃料发电的直接煤燃料电池组，用于将二氧化碳转化为甲酸和一氧化碳的金属-二氧化碳电池；所述金属-二氧化碳电池的正极侧与所述直接煤燃料电池组的阳极气体出口连接。
[0046] 本发明选用基于氧离子导体的管式固体氧化物燃料电池组，在阳极上浸渍Ag纳米颗粒增加了阳极三相界面的长度且引入了更加稳定的纳米银颗粒覆盖在阳极表面，可有效提高电池的电化学性能，实现直接煤燃料电池高效稳定的输出。同时，利用直接煤燃料电池与金属二氧化碳电池进行联合，将直接煤燃料电池在工作过程中所产生的二氧化碳转化为甲酸和一氧化碳，实现近零碳排放。
[0047] 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。
