CN101807704B - 一种平板式直接火焰固体氧化物燃料电池装置及使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种平板式直接火焰固体氧化物燃料电池装置及方法，属于固体氧化物燃料电池技术领域。该装置用平板式固体氧化物电解质燃料电池作为燃烧电池；将燃烧电池水平置于Hencken燃烧器上方富燃区，上侧表面是阴极，下侧表面是阳极，中间为固体氧化物电解质层；向燃料入口通入燃料气体，向空气入口通入空气或氧气，构成管式直接火焰燃料电池。本发明能够在更大的范围内调整火焰气体组分并能保持均匀平整的火焰，提高电流密度，易于组成大规模电池组。

Description

一种平板式直接火焰固体氧化物燃料电池装置及使用方法
技术领域
本发明属于固体氧化物燃料电池技术领域，尤其涉及一种平板式直接火焰固体氧化物燃料电池装置及方法。
背景技术
固体氧化物燃料电池(SOFC)工作具有效率高、功率密度大、结构简单、燃料适应性广等多方面优点，在大、中、小型发电站，移动式、便携式电源以及军事、航空航天等领域有着广阔的应用前景。
传统的SOFC通常由两个气室将燃料与氧化剂气体分隔开来，可以在阴阳极之间保持较高的化学势梯度，以实现较高的发电效率及燃料利用率，但双室SOFC密封性能的好坏直接影响着电池性能，特别在温度变化时密封材料与电池材料膨胀系数的匹配始终是双室SOFC商业化的难点之一。单室SOFC是一类新颖的SOFC电池构型，以燃料-氧化剂混合气体同时作为电池阳极和阴极的气氛，利用其阳极、阴极对燃料、氧化剂气体催化活性的不同而产生电势差进行工作。相比双室SOFC，单室SOFC结构与制造工艺相对简单，降低了电池对系统密封要求及装置复杂度，但电池燃料利用率与双室SOFC相差甚远，同时对电极材料的选择性催化活性要求较高，增大了制造成本。此外，电池中燃料与氧气直接混合，存在爆炸的危险，必须考虑燃料爆炸限问题，使反应气氛的调节范围受到了限制。
日本神钢电机株式会社(Shinko Electric Industries)的Horiuchi等研究者首次提出了结构更为简单的“无室”直接火焰SOFC电池构型，利用富燃燃烧状态下产生的气体组分如H2及CO作为SOFC阳极反应气体。火焰用于消耗阳极侧氧气组分以在“无室”条件下保证阴极、阳极之间的化学势梯度，同时加热SOFC至所需工作温度。直接火焰SOFC的主要优势在于：(1)广泛的燃料适应性：可使用多类可燃气体、液体、固体作为燃料，实际上这些燃料富燃火焰成分均主要包括氢气、水、CO、CO2及CH、OH等自由基成分，与使用重整后的碳氢燃料类似；(2)装置结构简单，仅需将阳极阴极置于火焰与空气之中，无需密封；(3)尽管发电效率相对较低，但可望获得较高的热电联产综合效率；(4)启动快速，火焰直接可作为SOFC启动热源，无需额外配置热量管理系统；(5)电池阳极、阴极分处火焰、氧化剂气氛，无需设计具有良好选择性的电催化剂，可直接使用目前最为成熟的Ni-YSZ|YSZ|LSM-YSZ膜电极体系，可望有效降低制造成本；(6)电池阳极为部分氧化气氛，电极表面积碳问题无论从热力学还是动力学方面考虑都将大为缓解。这些优点使直接火焰SOFC成为一类具有重要应用前景的燃料电池新构型，特别有望应用于热电联产、军工、航空航天等领域，对直接火焰SOFC的研究对于我国能源技术的进步及国家能源安全具有重要意义。
目前直接火焰SOFC仍是一个全新的研究课题，国内外关于直接火焰SOFC的研究工作均处于起步阶段，相关报道较少。Horicuchi等人利用普通的圆管燃烧器将SOFC分别置于丁烷、煤油、固体石蜡和木材富燃火焰中时的电池性能，电池功率密度分别达到75、65、62和5mW/cm2，并通过4电池串连的方式在丁烷火焰中获得了318mW的峰值功率密度。德国杜伊斯堡-艾森大学的Kronemayer错误！未找到引用源。及海德堡大学的Vogler、Bessler等研究者与日本神钢电机株式会社合作同样利用McKenna燃烧器研究了不同气体燃料(甲烷、丙烷及丁烷)及不同火焰操作条件参数对直接火焰SOFC性能的影响，电池峰值功率密度达到200mW/cm2。国内南京理工大学邵宗平老师利用酒精灯对直接乙醇火焰SOFC的性能进行了研究，利用乙醇火焰内焰与增加了催化层的电池阳极配合，使电池功率密度峰值达到200mW/cm2。
目前国内外进行直接火焰燃料电池的研究表明火焰的空间结构分布特性容易导致不均匀的电池工作温度，气体及基元组分，使得电池工作过程中存在热应力，容易导致电池性能加速衰减。且目前尚无对管式直接火焰固体氧化物燃料电池的研究及应用。
发明内容
本发明旨在设计一种新型平板式直接火焰固体氧化物燃料电池方法和装置，解决由于非均匀火焰引起的电池性能下降的问题。
本发明采用的技术方案为：该装置主要由圆管、支架、管式固体氧化物燃料电池等组成。壳体的下部设置隔板，隔板将壳体分成上方非密闭的空气室和下方密闭的燃料室；在隔板上设置多根竖直的均匀分布的圆管，圆管的下部穿过隔板深入壳体的下方密闭的燃料室；在壳体的燃料室的底部两侧分别设置一个燃料入口，在壳体的空气室底部靠近隔板的位置、两侧分别设置一个空气入口；空气室的顶部、圆管的上方为富燃火焰区，在富燃火焰区的上方设置固定的支架，并在支架上水平放置平板式的燃烧电池。
所述圆管将空气室分隔成均匀排列的燃料路和空气路。
所述燃烧电池为平板式固体氧化物电解质燃料电池片，燃烧电池的上侧表面为阴极，下侧表面为阳极，中间为固体氧化物电解质层。
所述支架与燃烧电池接触的部位绝缘。
本发明还提供了一种使用所述装置进行平板式直接火焰固体氧化物燃料电池的方法，其特征在于，所述方法有两种工况：
一种工况是，气体燃料从燃料入口进入圆管，空气从空气入口进入，在圆管的出口形成扩散富燃火焰区，燃烧电池消耗富燃火焰区的气体进行发电，并经导线导出电；
另一种工况是，将气体燃料和空气预混的气体通入燃料入口，空气入口关闭，在圆管的出口形成预混火焰富燃区，燃烧电池消耗富燃区的气体进行发电，并经导线导出电。
所述气体燃料包括甲烷、乙烷、丙烷、丁烷及其混合物。
本发明的有益效果为：
(1)燃烧器形成的火焰更加平整均匀，能够提高电池性能；
(2)能在更宽范围调节火焰气体组成够焰，以满足电池工作需求；
(3)易于组成大规模电池组。
附图说明
图1是本发明实施例的结构示意图。
图中标号：
1—燃烧电池；2—壳体；3—支架；4—圆管；5—空气入口；6—燃料入口；7—隔板。
具体实施方式
本发明提供了一种平板式直接火焰固体氧化物燃料电池装置及方法，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
如图1所示，壳体2的下部设置隔板7，隔板7将壳体2分成上方非密闭的空气室和下方密闭的燃料室；在隔板7上设置多根竖直的均匀分布的圆管4，圆管4的下部穿过隔板7深入壳体2的下方密闭的燃料室，该圆管4将燃烧室分隔成均匀排列的燃料路和空气路；在壳体2的燃料室的底部两侧分别设置一个燃料入口6，在壳体2的空气室底部靠近隔板7的位置、两侧分别设置一个空气入口5；空气室的顶部、圆管4的上方为富燃火焰区，在富燃火焰区的上方设置固定的支架3，并在支架3上放置燃烧电池1，且支架3与燃烧电池2相接触的部分 采用绝缘设计。
所有的圆管4共同组成了Hencken型燃烧器。使用Hencken型燃烧器得到较McKenna燃烧器更为平整的火焰，使得电池阳极燃料、温度分布均匀，电池各局部性能趋于均匀，从而提高整体的电池性能。并且利用Hencken型燃烧器可形成扩散火焰或预混火焰，能够控制火焰以满足不同工况的需求，从而提高电池性能。
燃烧电池1为平板式固体氧化物电解质燃料电池片，燃烧电池1的上侧表面为阴极，下侧表面为阳极，中间为固体氧化物电解质层。
使用所述装置进行平板式直接火焰固体氧化物燃料电池的方法有两种工况：
一种工况是，气体燃料从燃料入口6进入Hencken燃烧器，空气从空气入口5进入，在Hencken燃烧器的出口形成扩散富燃火焰区，燃烧电池1消耗富燃火焰区的气体进行发电，并经导线导出电。
另一种工况是，将气体燃料和空气预混的气体通入燃料入口6，空气入口5关闭，在Hencken燃烧器的出口形成预混火焰富燃区，燃烧电池1消耗富燃区的气体进行发电，并经导线导出电。
所述的气体燃料为甲烷、乙烷、丙烷、丁烷，或者为上述几种气体中两种或多种组成的气体混合物。

Claims (6)

1.一种平板式直接火焰固体氧化物燃料电池装置，由圆管、支架、管式固体氧化物燃料电池组成，其特征在于，壳体(2)的下部设置隔板(7)，隔板(7)将壳体(2)分成上方非密闭的空气室和下方密闭的燃料室；在隔板(7)上设置多根竖直的均匀分布的圆管(4)，圆管(4)的下部穿过隔板(7)深入壳体(2)的下方密闭的燃料室；在壳体(2)的燃料室的底部两侧分别设置一个燃料入口(6)，在壳体(2)的空气室底部靠近隔板(7)的位置、两侧分别设置一个空气入口(5)；空气室的顶部、圆管(4)的上方为富燃火焰区，在富燃火焰区的上方设置固定的支架(3)，并在支架(3)上水平放置平板式的燃料电池(1)。
2.根据权利要求1所述的一种平板式直接火焰固体氧化物燃料电池装置，其特征在于，所述圆管(4)将空气室分隔成均匀排列的燃料路和空气路。
3.根据权利要求1所述的一种平板式直接火焰固体氧化物燃料电池装置，其特征在于，所述燃料电池(1)为平板式固体氧化物电解质燃料电池片，燃料电池(1)的上侧表面为阴极，下侧表面为阳极，中间为固体氧化物电解质层。
4.根据权利要求1所述的一种平板式直接火焰固体氧化物燃料电池装置，其特征在于，所述支架(3)与燃料电池(1)接触的部位绝缘。
5.一种权利要求1所述的平板式直接火焰固体氧化物燃料电池的使用方法，其特征在于，所述方法有两种工况：
一种工况是，气体燃料从燃料入口(6)进入圆管(4)，空气从空气入口(5)进入，在圆管(4)的出口形成扩散富燃火焰区，燃料电池(1)消耗富燃火焰区的气体进行发电，并经导线导出电；
另一种工况是，将气体燃料和空气预混的气体通入燃料入口(6)，空气入口(5)关闭，在圆管(4)的出口形成预混火焰富燃区，燃料电池(1)消耗富燃区的气体进行发电，并经导线导出电。
6.根据权利要求5所述的平板式直接火焰固体氧化物燃料电池装置的使用方法，其特征在于，所述的气体燃料为甲烷、乙烷、丙烷、丁烷，或者为上述几种气体中两种或多种组成的气体混合物。
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