CN101771161A

CN101771161A - 一种便携式固体氧化物燃料电池的发电装置

Info

Publication number: CN101771161A
Application number: CN200810163956A
Authority: CN
Inventors: 程宏辉; 王蔚国; 沈圣成; 刘凯
Original assignee: Ningbo Institute of Material Technology and Engineering of CAS
Current assignee: Ningbo Institute of Material Technology and Engineering of CAS
Priority date: 2008-12-29
Filing date: 2008-12-29
Publication date: 2010-07-07

Abstract

一种便携式固体氧化物燃料电池的发电装置，其特征在于该装置包括壳体及位于该壳体内的燃料罐、燃料计量泵、蒸发器、重整器、第一气体计量泵、第二气体计量泵、第三气体计量泵、热交换器、尾气燃烧器、电流调制输出模块、保温层、固体氧化物燃料电池堆。与现有技术相比，本发明的优点在于：能够使用各类碳氢化合物作为燃料，对燃料性质不敏感，效率和能量密度高，安全、环保、可靠性佳，内部结构合理布置，可以广泛用于电池充电器，士兵作战电源，野外徒步旅行电源，应急电源等各类场合。

Description

一种便携式固体氧化物燃料电池的发电装置

技术领域

本发明涉及一种发电装置，尤其涉及一种便携式固体氧化物燃料电池的发电装置。

背景技术

便携式电源指功率范围在1～1000W、个人可以方便地携带或移动的电源。百瓦级便携式电源可以用作电动自行车、展览演示用电源、单兵电源、小型服务器、终端、微机的不间断动力源；十瓦级便携式电源可用作笔记本电脑、应急作业灯、警用装备等电源；而瓦级小型便携式电源可用于手机，掌上电脑等。传统的便携式电源通常采用铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池等。这些电源均为储能装置，能量密度低，需要长时间充电，还存在污染环境等问题。随着人们生活水平的提高，手机、数码相机、录音机、游戏机、掌上电脑等电子产品迅猛发展，对电源的能量密度和使用便捷性的要求越来越高。传统的电池已经远远不能胜任这些便携式电子产品发展的要求，对高性能的新型电源的需求越来越迫切。

燃料电池是一种将燃料的化学能直接转换为电能的电化学装置，它不同于传统的二次电池，不需要外电源充电，只要提供合适的燃料，就能源源不断地输出电能。燃料电池的效率不受热机卡诺定理限制，能量转换效率高，待机时间长，在便携式电源方面的应用有很大的潜力，可望代替传统的便携式电源。在针对便携式应用的燃料电池中，研究得最多的是直接甲醇燃料电池(direct methanol fuel cell，DMFC)和质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)。之所以首先考虑到DMFC和PEMFC用作便携式电源，是因为它们具有工作温度低的特点。DMFC采用质子交换膜电解质，直接使用甲醇燃料，催化剂中毒和甲醇透过电解质膜是困扰DMFC使用的最大问题。PEMFC需要采用高纯氢气作燃料，不仅成本高，而且还存在储存和运输的问题；此外，PEMFC中水的管理也比较困难。

固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell，SOFC)恰恰能够弥补上述不足。因此，近几年SOFC在便携式应用方面的研究受到越来越多的重视和关注。固体氧化物燃料电池主要由阴极、阳极和电解质组成，其中，电解质位于阳极和阴极之间。在运行过程中，向阳极和阴极分别送入还原、氧化气体后，氧气在多孔的阴极上发生还原反应，生成氧负离子。氧负离子在电解质中通过氧离子空位和氧离子之间的换位跃迁达到阳极，然后与燃料反应，生成H₂O和CO₂，因而形成了带电离子的定向流动。通过负载输出电能，化学能就转变成电能。具体参考图1所示，固体氧化物燃料电池由阴极1a，电解质2a和阳极3a构成，其中阴极1a端通入空气，或者纯氧，阳极3a端通入燃料气，一般燃料气主要由CO和H₂构成，也有可能是CH₄，H₂，CO，其中任何一种单一气体或者其中两种或两种以上的混合气体。一般阳极3a发生如下电化学反应CO+O^2-→CO₂+2e^-，H₂+O^2-→H₂O+2e^-，当有CH₄存在也有可能发生如下反应：CH₄+4O^2-→2H₂O+CO₂+8e^-。上述电化学反应主要产生游离电子。一般阴极1a发生如下电化学反应：O₂+4e^-→2O^2-，该过程主要是O₂获得电子生成O^2-。生成的O^2-穿过电解质2a到达阳极3a。这样就形成了完整的电流回路，游离电子在经过外部电路后，即将化学能转化为电能被用电设备所利用。一般单个固体氧化物燃料电池的工作电压在0.7V左右，电流达到几十安培，为满足实际需要将多个固体氧化物燃料电池以串联的方式提高输出功率。单体固体氧化物燃料电池可以片状、管状、或者其他管状或者片状异化后的形状。公开的文献如专利号为ZL200510016701.5的中国发明专利《模块式管状固体氧化物燃料电池发电系统》(授权公告号：CN1674344C)，类似的还可以参考CN1809938A、CN101164188A等。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述的技术现状而提供一种安全、环保、可靠性佳且内部结构合理布置的便携式固体氧化物燃料电池的发电装置。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种便携式固体氧化物燃料电池的发电装置，其特征在于该装置包括壳体及位于该壳体内的燃料罐、燃料计量泵、蒸发器、重整器、第一气体计量泵、第二气体计量泵、第三气体计量泵、热交换器、尾气燃烧器、电流调制输出模块、保温层、固体氧化物燃料电池堆，

燃料罐中的碳氢燃料通过燃料计量泵泵入蒸发器，在蒸发器的加热下泵入的碳氢燃料变成气态并且预热到一定温度，进入重整器，空气或纯氧通过第一气体计量泵泵入催化部分重整器，在重整器中与碳氢燃料发生催化反应生成以H₂，CO为主要成分，含有少量CO₂，H₂O的碳氢燃料气的混合燃料气体，将重整器所产生的混合燃料气通入到固体氧化物燃料电池堆的阳极，而空气或纯氧通过另一路的第二气体计量泵泵入热交换器7，通过热交换器7预热后进入固体氧化物燃料电池堆的阴极，在固体氧化物燃料电池堆中，空气或纯氧和燃料混合气发生了电化学反应输出了直流电，在固体氧化物燃料电池堆的电流正负极输出端连接有一用于调制输出电流的电流调制模块，混合燃料气体在经过固体氧化物燃料电池堆后所产生的阳极尾气主要是CO₂，H₂O，少量含有CO，H₂的混合气，将阳极尾气和阴极尾气通入到尾气燃烧器中，同时通过第三气体计量泵向尾气燃烧器泵入空气或纯氧，将尾气中少量存在的可燃气体化学能转化成热能，尾气燃烧器排出的高温气体含有热能，通过热交换器将热能回收后排空。

所述燃料罐内的碳氢燃料可以为烷烃、液化石油气、煤气、煤油、柴油、汽油中的至少一种。

所述的重整器填充有催化部分氧化重整催化剂。

固体氧化物燃料电池堆可以为管式单电池搭建而成，或由平板式单电池搭建而成，又或由异型单电池搭建而成。

所述的尾气燃烧器可以为直接火焰燃烧器，或为通过催化反应实现的具有燃烧催化剂的燃烧器。

所述的电流调制模块输出电流可以为DC5V、DC12V、DC24V、AC110V60Hz或AC220V50Hz。

与现有技术相比，本发明的优点在于：能够使用各类碳氢化合物作为燃料，对燃料性质不敏感，效率和能量密度高，安全、环保、可靠性佳，内部结构合理布置，可以广泛用于电池充电器，士兵作战电源，野外徒步旅行电源，应急电源等各类场合。

附图说明

图1为现有技术中固体氧化物燃料电池的工作原理图。

图2为实施例结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例：参考图2所示，本实施例中的便携式固体氧化物燃料电池的发电装置包括壳体102及位于该壳体102内的重整器4、固体氧化物燃料电池堆1、保温层101、蒸发器3、尾气燃烧器8、燃料计量泵2、第一气体计量泵5、第二气体计量泵6、第三气体计量泵9及热交换器7，蒸发器3用于将碳氢化合物燃料转变为气态，并加热到一定温度，燃料罐100与蒸发器3连接，提供碳氢燃料，重整器4、固体氧化物燃料电池堆1、蒸发器3、尾气燃烧器8及热交换器7均位于保温层101内。

燃料罐100中的碳氢燃料通过燃料计量泵2泵入蒸发器3，在蒸发器3的加热下泵入的碳氢燃料变成气态并且预热到一定温度，进入重整器4，空气通过第一气体计量泵5泵入催化部分氧化重整器4，在重整器4中与碳氢燃料发生催化反应生成以H₂，CO为主要成分，含有少量CO₂，H₂O的碳氢燃料气的混合燃料气体，将重整器4所产生的混合燃料气通入到固体氧化物燃料电池堆的阳极13，而空气通过另一路的第二气体计量泵6泵入热交换器7，通过热交换器7预热后进入固体氧化物燃料电池堆的阴极14，在固体氧化物燃料电池堆1中，空气和燃料混合气发生了电化学反应输出了直流电，在固体氧化物燃料电池堆1的电流正负极输出端连接有一用于调制输出电流的电流调制模块10，混合燃料气体在经过固体氧化物燃料电池堆1后所产生的阳极尾气主要是CO₂，H₂O，少量含有CO，H₂的混合气，空气在经过固体氧化物燃料电池堆1后所产生的阴极尾气主要是N₂，含有少量的O₂，CO₂的混合气，将阳极尾气和阴极尾气通入到尾气燃烧器8中，同时通过第三气体计量泵9向尾气燃烧器8泵入空气，将尾气中少量存在的可燃气体化学能转化成热能，尾气燃烧器8排出的高温气体含有热能，通过热交换器7将热能回收后排空。

燃料罐100内的碳氢燃料可以是烷烃、液化石油气、煤气、煤油、柴油、汽油。

重整器4填充有催化部分氧化重整催化剂。

尾气燃烧器8为直接火焰燃烧器或为通过催化反应实现的具有燃烧催化剂的燃烧器。

电流调制模块10可以满足各种客户的需要，输出电流可以是DC5V、DC12V、DC24V、AC110V60Hz和AC220V50Hz。本实施例中的固体氧化物燃料电池堆1可以是由平板式单电池或者管式单电池或者其他异形单电池通过串联方式获得。

在整个发电系统中热交换器7、蒸发器3、重整器4、尾气燃烧器8、固体氧化物燃料电池堆1四个部分构成了热区，热区内的温度达到300℃以上，热区的外围通过保温层101与外界隔绝，防止发生大量热损失。

Claims

1.一种便携式固体氧化物燃料电池的发电装置，其特征在于该装置包括壳体及位于该壳体内的燃料罐、燃料计量泵、蒸发器、重整器、第一气体计量泵、第二气体计量泵、第三气体计量泵、热交换器、尾气燃烧器、电流调制输出模块、保温层、固体氧化物燃料电池堆，

燃料罐中的碳氢燃料通过燃料计量泵泵入蒸发器，在蒸发器的加热下泵入的碳氢燃料变成气态并且预热到一定温度，进入重整器，空气或纯氧通过第一气体计量泵泵入催化部分氧化重整器，在重整器中与碳氢燃料发生催化反应生成以H₂，CO为主要成分，含有少量CO₂，H₂O的碳氢燃料气的混合燃料气体，将重整器所产生的混合燃料气通入到固体氧化物燃料电池堆的阳极，而空气或纯氧通过另一路的第二气体计量泵泵入热交换器7，通过热交换器7预热后进入固体氧化物燃料电池堆的阴极，在固体氧化物燃料电池堆中，空气或纯氧和燃料混合气发生了电化学反应输出了直流电，在固体氧化物燃料电池堆的电流正负极输出端连接有一用于调制输出电流的电流调制模块，混合燃料气体在经过固体氧化物燃料电池堆后所产生的阳极尾气主要是CO₂，H₂O，少量含有CO，H₂的混合气，将阳极尾气和阴极尾气通入到尾气燃烧器中，同时通过第三气体计量泵向尾气燃烧器泵入空气或纯氧，将尾气中少量存在的可燃气体化学能转化成热能，尾气燃烧器排出的高温气体含有热能，通过热交换器将热能回收后排空。

2.根据权利要求1所述的便携式固体氧化物燃料电池的发电装置，其特征在于所述燃料罐内的碳氢燃料为烷烃、液化石油气、煤气、煤油、柴油、汽油中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的便携式固体氧化物燃料电池的发电装置，其特征在于所述的重整器填充有催化部分氧化重整催化剂。

4.根据权利要求1所述的便携式固体氧化物燃料电池的发电装置，其特征在于所述的固体氧化物燃料电池堆为管式单电池搭建而成，或由平板式单电池搭建而成，又或由异型单电池搭建而成。

5.根据权利要求1所述的便携式固体氧化物燃料电池的发电装置，其特征在于所述的尾气燃烧器为直接火焰燃烧器或为通过催化反应实现的具有燃烧催化剂的燃烧器。

6.根据权利要求1所述的便携式固体氧化物燃料电池的发电装置，其特征在于所述的电流调制模块输出电流为DC5V、DC12V、DC24V、AC110V60Hz或AC220V50Hz。