CN100401569C - 固体氧化物燃料电池阴极燃料供给设备 - Google Patents

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Abstract

本发明的固体氧化物燃料电池阴极燃料供给设备属固体氧化物燃料电池发电装置的技术领域。由聚氧器和热交换器两部分组成；所说的热交换器，由装有尾气入口(15)和尾气出口(16)的外壳(1)、阴极燃料加热管(2)、阴极燃料输出管(3)及水箱(9)构成；所说的聚氧器由高梯度磁场聚氧单元(4)组成，其结构是：在骨架(5)上并排安装一组开口的圆环状的磁轭(6)，每个磁轭(6)开口处的两个端头分别装有永磁块(7)；在骨架(5)两端开有富氧通道(14)与热交换器内的阴极燃料加热管(2)连通。本发明具有设备投资少，阴极燃料运行成本低；燃料电池发电效率提高、尾气余热利用率高、能源消耗少；结构紧凑无噪音等特点。

Description

固体氧化物燃料电池阴极燃料供给设备
技术领域
本发明属固体氧化物燃料电池发电装置的技术领域，特别涉及一种为燃料电池供应阴极燃料的设备。
背景技术
固体氧化物燃料电池是一种长期连续运行的发电设备，该发电设备的运行，需要连续不断供给气体燃料，其燃料包括：阳极燃料和阴极燃料。阳极燃料是用氢气或富氢气体(天然气)作燃料。阴极燃料是用氧气或空气作燃料。气体燃料的选择和开发是决定民用固体氧化物燃料电池发电设备运行成本和市场开拓的重要因素。
若阴极燃料是用氧气，传统工业制氧气方法是：1、液化空气制氧是工业上常用的方法。为了方便运输和使用，将液氧气化成的氧气运输和使用。2、利用膜分离技术富集空气中的氧气，在一定的压力下，让空气通过具有富集功能的薄膜，反复进行多级薄膜分离，可得到含量达90％的富氧气体。第1种制氧气方法，在制氧工艺中，消耗大量能源。固体氧化物燃料电池是一种长期连续运行的发电设备，使用这种制氧气方法做燃料电池阴极燃料运行成本太高。若第2种制氧气方法，薄膜是一种易损耗材料，氧气产气量也有限，使用这种制氧气方法做燃料电池阴极燃料运行成本也存在增加的问题。
对民用固体氧化物燃料电池阴极燃料是用空气，燃料电池阴极燃料运行成本降低，但是，固体氧化物燃料电池发电设备的发电效率降低。因为空气中的氧气含量很低，只占空气的20％。同时，空气中氮气的含量多达78％，氮气对固体氧化物燃料电池发电设备的发电没有任何好处，相反，空气中78％氮气进入固体氧化物燃料电池发电系统，将带走发电系统内部的大量热量。特别是对固体氧化物燃料电池发电系统的热电联用总效率下降很大。
与本发明最相近的现有技术是一份中国发明专利申请，名称为“模块式管状固体氧化物燃料电池发电系统”，公开号为CN1674344A。该发电系统由单电池；燃烧室；底座以及氧化剂(空气，即阴极燃料)输入管，燃料输入管构成；在电解质管外面套装有外套管，外套管上端开有氧化剂(阴极燃料——空气)注入口，氧化剂注入口与氧化剂输入管相连通。氧化剂(阴极燃料)输入管置于高温重整室内(高温重整室是燃烧室的上半部分)，阴极燃料经高温重整室加热进入固体氧化物燃料电池工作区。
由于使用空气做阴极燃料，空气中的氮气带走发电系统内部的大量热量，致使发电设备的发电效率降低。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术的阴极燃料设备存在的问题，给出一种新型固体氧化物燃料电池阴极燃料供给设备，使供给燃料电池的阴极燃料成为富氧空气，提高对阴极燃料的加热效率。
本发明的固体氧化物燃料电池阴极燃料供给设备由聚氧器和热交换器两部分组成，所说的热交换器，由钢板填充绝热材料构成外壳，外壳上装有尾气入口、尾气出口，由固体氧化物燃料电池发电系统的尾气供热；其内装有阴极燃料加热管，每条阴极燃料加热管都与阴极燃料输出管接通，阴极燃料输出管与各单电池的氧化剂注入口相通；聚氧器由高梯度磁场聚氧单元组成，每个高梯度磁场聚氧单元的结构是在骨架上并排安装一组开口的圆环状的磁轭，每个磁轭开口处的两个端头相对装有永磁块，两永磁块的异性磁极是相对的；相邻的两永磁块磁极方向相同；在骨架两端开有富氧通道，每个磁轭的轴心与富氧通道相通，富氧通道与热交换器内的阴极燃料加热管连通。
每个聚氧单元中的各磁轭之间可以用隔离环隔开。磁轭可以是铁材料的。
为了使永磁块不受热交换器高温的影响，除了用绝热材料填充外壳外，可以在热交换器靠近聚氧器的外壳内装水箱，水箱的下端和上端分别装有的水入口和水出口穿过外壳。在热交换器内被加热的水箱中的水，还能够用作阳极燃料的重整用高温水。绝热材料可以使用陶瓷毡或石棉等保温材料。
在聚氧器的外面应当加防护网，防止杂质及灰尘进入永磁块和磁轭所在的空间，确保阴极燃料的清洁和运行安全。
聚氧器的工作原理是：某些物质当它们受到外磁场作用后，感生出与磁场方向相反的磁化强度，其磁化率xd＜0。这种磁性称为抗磁性。表现出磁化率小于零的物质称为抗磁性物质。氮气和氢气就属于抗磁性气体。某些物质当它们受到外磁场作用后，感生出与磁化磁场同方向的磁化强度，其磁化率xd＞0。这种磁性称为顺磁性。具有这种磁化率大于零的物质称为顺磁性物质。氧气就属于顺磁性气体。
根据以上物质磁性的特点，发明人设计一个高梯度的磁场，当空气中的氧气受到高梯度磁场作用后，感生出与磁化磁场同方向的磁化强度，其磁化率Xd＞0。这种磁性称为顺磁性。氧气就会在高梯度的磁场中向磁场强度高的方向移动。同时，空气中的氮气和氢气受到高梯度磁场作用后，感生出与磁场方向相反的磁化强度，其磁化率Xd＜0。这种磁性称为抗磁性。空气中的氮气和氢气就会在高梯度的磁场中向磁场强度低的方向移动。从而达到氧和氮的分离。分离出阴极燃料氧气含量与流量成反比，分离出阴极燃料氧气含量与高梯度的磁场面积成正比。阴极燃料的氧气含量增加10％～30％。同时，降低阴极燃料的氮气含量。
本发明的固体氧化物燃料电池阴极燃料供给设备的特点是：
与纯氧气式和薄膜式固体氧化物燃料电池阴极燃料供给设备相比，具有以下特点：1、设备投资少。2、燃料电池阴极燃料运行成本降低。3、能源消耗少(无电源氧与氮分离)。4、无噪音(无空气压缩机和运转设备)5、无消耗性材料(薄膜)，燃料运行成本低。
与背景技术的以空气作阴极燃料、高温重整室将阴极燃料加热的固体氧化物燃料电池阴极燃料供给设备相比，具有结构紧凑、电池发电效率高、尾气余热利用率高等优点。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图。
图2是本发明的聚氧单元的结构示意图。
图3是图2的A-A剖面图。
具体实施方式
下面结合附图说明本发明的具体的实施方式。
实施例1  本发明的固体氧化物燃料电池阴极燃料供给设备的整体结构
本发明的固体氧化物燃料电池阴极燃料供给设备由聚氧器和热交换器两部分组成，如图1所示。
图1中，1为外壳，热交换器的外壳1由外壁为钢板、内壁为不锈钢板、中间填充绝热材料构成，其一侧开有燃料电池尾气的入口15和燃料电池尾气的出口16，固体氧化物燃料电池发电系统的尾气为热交换器供热，绝热材料可以是陶瓷毡或石棉；2为阴极燃料加热管，平行排列装在热交换器内；3为阴极燃料输出管，其在热交换器部分与每条阴极燃料加热管2接通，其另一端与各单电池的氧化剂(即阴极燃料)注入口相通；4为聚氧单元，聚氧器由平行排列的高梯度磁场聚氧单元4组成，高梯度磁场聚氧单元4的结构参见图2。
图1中，9为水箱，水箱9的下端和上端分别装有的水入口10和水出口11穿过外壳1。水箱9在热交换器中起到两个作用：第一，为外壳1靠近聚氧器的那部分降温，使永磁块7不受热交换器高温的影响；第二，被加热的水用作阳极燃料的重整用水。
图1中，12为防护网，罩在聚氧器的外面，防止杂质及灰尘进入永磁块和铁心所在的空间，保持阴极燃料的清洁。
在热交换器内装多少阴极燃料加热管2，在聚氧器内装多少聚氧单元4，可以由固体氧化物燃料电池的大小决定，单电池越多，需要的阴极燃料越多，则排列的阴极燃料加热管2和聚氧单元4就会越多。
实施例2  本发明的聚氧单元的结构
本发明的聚氧器是由许多平行排列的聚氧单元构成的，聚氧单元的结构如图2所示。图2中，5为骨架，可以使用有足够强度的材料制作，比如铜材料，以能够支撑其上的一组平行排列的圆环状的磁轭6，骨架5由扁圆柱形支撑部分18和同轴的圆管19构成，圆管19上开有顺长开口，扁圆柱形支撑部分18开有螺旋孔，以便将聚氧单元固定安装在聚氧器内。磁轭6有断开的开口，开口处装有两块永磁块7，即，每个磁轭6开口处的两个端头相对装有永磁块7，两永磁块7的异性磁极是相对的；相邻的两磁轭6的永磁块7磁极方向相同。磁轭6端头安装的两永磁体7之间的位置与骨架5的顺长开口相重合，构成富氧气体进口17；磁轭6和骨架5的中心轴13形成富氧空气的通道，参见图3。在骨架5两端开有富氧通道14，富氧通道14连通每个磁轭6的轴心13和阴极燃料加热管2。
永磁块7使用钕铁硼材料的永磁体比较合适。
各圆环形磁轭6可以用隔离环8隔开。

Claims (3)

1.一种固体氧化物燃料电池阴极燃料供给设备，其特征是，由聚氧器和热交换器两部分组成；所说的热交换器，由钢板填充绝热材料构成外壳(1)，外壳(1)上装有尾气入口(15)和尾气出口(16)，其内装有阴极燃料加热管(2)，每条阴极燃料加热管(2)都与阴极燃料输出管(3)接通，阴极燃料输出管(3)与各单电池的氧化剂注入口相通；所说的聚氧器由高梯度磁场聚氧单元(4)组成，每个高梯度磁场聚氧单元(4)的结构是：在骨架(5)上并排安装一组开口的圆环状的磁轭(6)，每个磁轭(6)开口处的两个端头分别装有永磁块(7)，两永磁块(7)的异性磁极是相对的；相邻的两永磁块(7)磁极方向相同；磁轭(6)端头安装的两永磁体(7)之间的位置与骨架(5)的顺长开口相重合，构成富氧气体进口(17)；在骨架(5)两端开有富氧通道(14)，每个磁轭(6)的轴心(13)与富氧通道(14)相通，富氧通道(14)与热交换器内的阴极燃料加热管(2)连通。
2.按照权利要求1所述的固体氧化物燃料电池阴极燃料供给设备，其特征是，在热交换器靠近聚氧器的外壳(1)内装水箱(9)，水箱(9)的下端和上端分别装有的水入口(10)和水出口(11)穿过外壳(1)。
3.按照权利要求1或2所述的固体氧化物燃料电池阴极燃料供给设备，其特征是，在聚氧器的外面加防止杂质及灰尘进入永磁块和磁轭所在空间的防护网(12)。
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