CN101964426B

CN101964426B - 固体氧化物燃料电池综合实验装置

Info

Publication number: CN101964426B
Application number: CN2010102938102A
Authority: CN
Inventors: 裴力; 杜晓波; 贺天民; 刘晓梅; 纪媛; 沈羽
Original assignee: Jilin University
Current assignee: Jilin University
Priority date: 2010-09-28
Filing date: 2010-09-28
Publication date: 2012-11-14
Anticipated expiration: 2030-09-28
Also published as: CN101964426A

Abstract

本发明的固体氧化物燃料电池综合实验装置属固体氧化物燃料电池(SOFC)发电系统的技术领域。一种固体氧化物燃料电池综合实验装置，结构有加热部分、SOFC工作区、燃料气体供给部分以及燃料气体重整部分组成。SOFC管(16)与水平面同样成角度倾斜，采用一个公共的阴极燃料室(15)；加热管(9)是U型的，尾气出口设置在装置的上部；SOFC管(16)安装6组，分别控制阳极燃料输入流量和流速，其中3组经低温重整和高温重整及高温预热，另3组经高温预热。本发明加热管尾气不再影响燃烧器的燃烧效果；SOFC工作区温度场分布均匀；阴极燃料的流量和流速均匀一致；适合科学研究和实验中对SOFC性能的测试对比。

Description

固体氧化物燃料电池综合实验装置

技术领域

本发明属固体氧化物燃料电池(SOFC)发电系统的技术领域，特别涉及一种为在科研或教学中使用的SOFC综合实验装置。。

SOFC综合实验装置与SOFC发电系统相比较。它们的相同之处是：SOFC的工作温度、阳极燃料、阴极燃料、燃料电池的基本机构和工作原理等。它们的不同之处是：SOFC是小型(微型)化、SOFC的安装和拆卸应非常方便，因为，SOFC是小型(微型)化，燃料供应量小，所以，需设独立的加热装置等。

背景技术

固体氧化物燃料电池加热炉的研制，第九届全国固态离子学会会议文集，1998.8，294～305，单位：吉林大学，作者：裴力、吕喆、刘巍等。

SOFC加热炉的研制主要包括：装置由煤气加热部分、SOFC工作区两部分组成。

煤气加热部分包括：燃烧器和加热管。煤气燃料气体从管路经阀门进入燃烧器，煤气的喷射，通过卷吸作用，从一次助燃空气入孔处吸入一次助燃空气，助燃空气和燃料气体在燃烧器中进行混合，在喷嘴处完成混合。在此处点火后，层流预混火焰在加热管内燃烧。此时，在燃烧器和加热管之间有二次助燃空气吸入。调节燃烧器的控制管，改变一次助燃空气的流量，再经阀门调节燃料气体的流量，使助燃空气和燃料气体的流量达到最佳配比量，其燃烧火焰由层流火焰转变为紊流扩散火焰。此外，技术的关键是燃烧器与加热管相交处，也是二次助燃空气的入口处，二次助燃空气的流向对火焰的长度、加热管的温场分布都有很大的影响。其技术的关键是燃烧器的喷嘴应安装在加热管的中心轴线上。当点火之后的初期火焰是层流火焰，火焰的长度比较长，经过调节一次助燃空气和燃料气体的流量后，火焰变为紊流火焰，火焰的长度随即变短。但是，随着加热管的内部温度升高，在燃烧器喷出的混合气体流量的速度作用下，二次助燃空气吸入量也随之增加。因燃烧器与加热管的火焰是同轴的，被吸入的二次助燃空气的流动方向基本与加热管平行，燃烧火焰的长度明显增长。并且，在加热管的内部温度升高，燃烧速度明显提高，紊流火焰中气体各质点离开焰面，分散成许多燃烧着的气体微团。它们随着可燃混合物和燃烧产物的流动而不断扩散，最后完全燃尽。

SOFC工作区：在加热管的上部是SOFC工作区，SOFC工作区设置多个氧化铝管，氧化铝管在加热管的上部并垂直。在每根氧化铝管的管内安装两个支架，两个支架上放SOFC，SOFC也是管状的，SOFC的轴心是与氧化铝管的轴心是同轴的，SOFC可以是单根SOFC，也可是多个小SOFC串联的SOFC组。管状SOFC的外側是SOFC阴极，管状SOFC的内側是SOFC阳极。在SOFC阴极与氧化铝管内側之间的环形空间是阴极燃料室(也是阴极燃料通道)，向SOFC的阴极提供阴极燃料，阴极燃料可以选用空气或氧气。在管状SOFC内側的轴心，有一根细的氧化铝管，它是SOFC阳极燃料输入管，向SOFC的阳极提供阳极燃料，阳极燃料可以选用氢气。

下面结合附图对背景技术的SOFC加热炉的结构进一步叙述如下：

由图1～图6给出SOFC加热炉的结构，主要有装在外壳32内水平放置相互垂直的燃烧器和固体氧化物燃料电池电解质管16(以下记作SOFC管16)；左燃烧器和右燃烧器29的喷嘴5同轴线的与加热管9一端衔接，加热管9放置于外壳32内；SOFC管16、在SOFC管16外面同轴的氧化铝管14和阳极燃料输入管17构成固体氧化物燃料电池；其中，SOFC管16内表面为阳极，外表面为阴极，阳极燃料经阳极燃料输入口12、阳极燃料输入管17进入SOFC管16内，在SOFC管16外侧和氧化铝管14内侧围成的空间是阴极燃料室15。一排加热管9之上是SOFC工作区、SOFC工作区11内加热管9上有氧化铝管14。外壳32开有前门10和后门37，使氧化铝管14通过；13是阳极燃料排放口；19是支架，用于固定SOFC管16和阳极燃料输入管17。

燃烧器如图5所示，煤气燃料气体在煤气输入口1输入，经阀门2进入燃烧器，煤气的喷射，通过卷吸作用，从一次助燃空气入孔4处吸入一次助燃空气，一次助燃空气和燃料气体在燃烧器中进行混合，在喷嘴5处完成混合。在此处点火后，层流预混火焰在加热管9内燃烧。此时，在燃烧器和加热管9之间有二次助燃空气入口6吸入助燃空气，调节燃烧器的控制管7，改变一次助燃空气入孔4的流量，再经阀门2调节燃料气体的流量，使助燃空气和燃料气体流量达到最佳配比量，其燃烧火焰由层流火焰转变为紊流扩散火焰。此外，技术的关键是燃烧器与加热管9相交处，也就是二次助燃空气入口6处，二次助燃空气的流向对火焰的长度、加热管9的温场分布都有很大的影响。其技术的关键是燃烧器的喷嘴5应安装在加热管9的中心轴线上。当点火之后的初期火焰是层流火焰，火焰的长度比较长，经过调节一次助燃空气入孔4和燃料气体的流量阀门2后，火焰变为紊流火焰，火焰的长度随即变短。但是，随着加热管9的内部温度升高，在燃烧器喷出的混合气体流量的速度作用下，二次助燃空气吸入量也随之增加。因燃烧器与加热管9的火焰是同轴的，被吸入的二次助燃空气的流动方向基本与加热管9平行，燃烧火焰的长度明显增长。并且，在加热管9的内部温度升高，燃烧速度明显提高，紊流火焰中气体各质点离开焰面，分散成许多燃烧着的气体微团。它们随着可燃混合物和燃烧产物的流动而不断扩散，最后完全燃尽。燃烧器上的螺母3是将燃烧器固定在燃烧器支架20上。

SOFC工作区部分的结构是：在加热管9的上部是固体氧化物燃料电池工作区11(以下记为SOFC工作区11)，参见图5。如图1和图4所示，SOFC工作区11的前、后是前门10和后门37，即SOFC工作区是开放的；SOFC工作区11内设置多个氧化铝管14，氧化铝管14在加热管9的上部并垂直放置。在每根氧化铝管14的管内安装两个支架19，两个支架19上放SOFC管16，SOFC管16也是管状的，SOFC管16的轴心是与氧化铝管14的轴心是同轴的，SOFC管16可以是单根SOFC，也可是多个小SOFC串联的电池组。管状SOFC管16的外側是SOFC阴极，管状SOFC管16的内側是SOFC阳极。在SOFC管16阴极与氧化铝管14内側之间的环形空间是阴极燃料室15，向SOFC管16的阴极提供阴极燃料，阴极燃料可以选用空气或氧气。在管状SOFC管16内側的轴心，有一根细的氧化铝管，它是SOFC的阳极燃料输入管17，经阳极燃料输入口12，向SOFC管16的阳极提供阳极燃料，阳极燃料可以选用氢气或其它富氢气体。

发明内容

本发明给出一种新型SOFC性能实验装置，该装置客观的模仿了大型SOFC发电系统，对电解质、阴极、阳极和燃料气体中的任何一个部分的研究成果，都需在一个小型的SOFC综合性能实验装置上实验。从而，鉴别研究成果的性能和技术参数。

本发明要解决的技术问题是，小型的SOFC综合性能实验装置需要解决的提高SOFC的温度；SOFC工作区温度场分布均匀；消除加热管尾气对燃烧器的燃烧效果影响；为科学实验设计多个温场、阴极燃料的流量和流速进一步均匀和一致的SOFC；结构紧凑等。

本发明的具体的技术方案如下。

一种固体氧化物燃料电池综合实验装置，结构有外壳32，装在外壳32内相互垂直的燃烧器和SOFC管16；左燃烧器和右燃烧器29的喷嘴5同轴线的与加热管9一端衔接，加热管9放置于外壳32内，加热管9与外壳32之间放置保温材料33；阳极燃料经阳极燃料输入口12、阳极燃料输入管17进入SOFC管16内，在SOFC管16外侧有阴极燃料室15；其特征是，所述的加热管9是U型的，U型加热管输出端22与氧化铝制成的连接件24密封连接；连接件24的上半部是一个90度的管状弯头，U型加热管输出端22与连接件24的内径相同；所述的加热管9的尾气出口，设置在SOFC性能实验装置的上部；所述的SOFC工作区11，在外壳32内是封闭式的，是由U型加热管25和连接件28所围成区域；在SOFC工作区11内，氧化铝板材制成的一个壳体与所有的SOFC管16的外壁之间形成一个公共的阴极燃料室15；SOFC工作区11与水平面成角度倾斜，SOFC管16与水平面同样成角度倾斜。

本发明所述的SOFC管16，安装6组；每组的阳极燃料输入端口53、66、67、68、69、70分别与相对应的阳极燃料压力表47*6连接，再分别与相对应的阳极燃料流量计50*6连接，在阳极燃料流量计50*6上的阳极燃料调节旋钮84*6控制阳极燃料输入流量和流速；阴极燃料输入端口55与阴极燃料压力表54连接，再与阴极燃料流量计51连接，在阴极燃料流量计51上的阴极燃料调节旋钮52控制阴极燃料输入流量和流速。如果使6组SOFC管16处于均匀一致的温场、阴极燃料均匀的流量和流速，则可以实现不同阳极燃料、不同电解质管或阳极燃料不同处理方式等进行对比试验。

在上述的6组SOFC管16中，其中有3组的经阳极燃料流量计50*6后，用氧化铝管连接，再进入阳极燃料低温预热室90和阳极燃料高温预热室91进行重整和预热后，经阳极燃料输出口56*6输出，并与套有保温材料33的不锈钢管81*6连接，不锈钢管81*6与活接头89*6连接，活接头89*6再与SOFC管16的阳极燃料输入口12连接，最后进入SOFC管16；另外3组三路阳极燃料经阳极燃料流量计50*6后，用氧化铝管连接，进入阳极燃料高温预热室91进行高温预热后，经阳极燃料输出口56*6输出，并与套有保温材料33的不锈钢管81*6连接，不锈钢管81*6与活接头89*6连接，活接头89*6再与SOFC管16的阳极燃料输入口12连接，最后进入SOFC管16；阴极燃料经阴极燃料流量计51后，通过阴极燃料管进入阴极燃料高温预热室92进行预热，再由阴极燃料管连接阴极燃料输出口36，最后经阴极燃料输出口36进入SOFC工作区内的阴极燃料室15。

本发明所述的阳极燃料低温预热室90，包括三个水箱，即第一水箱63、第二水箱64、第三水箱65；阳极燃料低温预热室90的热源是由U型加热管21尾气提供；阳极燃料经过流量和流速的控制后，通过不锈钢管分别与水箱63、64、65的阳极燃料输入管71、73、75连接，阳极燃料输入管71、73、75分别进入水箱63、64、65的底部，经阳极燃料水下出口87*3，阳极燃料气体以水泡的方式浮出水平面，完成阳极燃料的低温重整；再通过阳极燃料输出管72、74、76，进入阳极燃料高温预热室91。

本发明所述的阳极燃料高温预热室91，有两个端口，其中下端口是阴极燃料室15向阳极燃料高温预热室91的热源输入口，上端口是阳极燃料高温预热室91与阴极燃料尾气排放口59的连接口；阳极燃料高温预热室91热源来自SOFC工作区11的阴极燃料尾气的余热；阳极燃料高温预热室91共有6路阳极燃料输入。

本发明所述的阴极燃料高温预热室92，阴极燃料高温预热室92内的阴极燃料管35一端与阴极燃料压力表54相连接；阴极燃料管35另一端与阴极燃料输出口36连接，最后阴极燃料经输出口36进入SOFC管16工作区内的阴极燃料室15；阴极燃料高温预热室92的热源来自U型加热管21尾气。

本发明的SOFC性能实验装置也可以叙述为由加热部分、SOFC工作区部分、燃料气体供给部分以及燃料气体重整部分组成。下面按这四部分进行详细说明。

一、加热部分包括：燃烧器和U型加热管。

本发明将加热管的燃烧尾气再输入到SOFC的燃料预热室，利用燃烧尾气的余热对燃料预热和燃料重整。燃烧尾气的最终排放口设在SOFC性能实验装置的上部。所以，本发明的燃烧器在一次助燃空气入孔处和二次助燃空气吸入处均没有加热管的尾气影响。因此，一次助燃空气和二次助燃空气质量的提高(氧含量提高)。通过卷吸的作用，从一次助燃空气入孔处吸入一次助燃空气，助燃空气和燃料气体在燃烧器的混合，沿着管内向前流动时，不断进行混合，在喷嘴处完成混合。在此处点火后，层流预混火焰在加热管内燃烧。在燃烧器和加热管之间有二次助燃空气吸入，调节燃烧器的控制管，改变一次助燃空气的流量，使助燃空气和燃料气体流量达到最佳配比量，其燃烧火焰由层流火焰转变为紊流扩散火焰。由于，一次助燃空气和二次助燃空气质量的提高(氧含量提高)。燃烧器的热效率将进一步提高。

由于，本发明SOFC工作区内的阴极燃料室是集成为公共阴极燃料室。并非多单元分立的阴极燃料室，公共阴极燃料室使SOFC工作区内的温度分布是均匀的。所以，本发明煤气燃料入口在同侧(比如同在左侧)的燃烧器共用一个煤气燃料输入管路和阀门。右侧燃烧器也是共用一个煤气燃料输入管路和阀门。管路和阀门的精减，燃烧器的操作将更加简便。

U型加热管：

本发明U型加热管与背景技术直型加热管相比之下的优点是：

1、U型加热管对相邻加热管的燃烧器不产生影响，U型加热管的尾气出口改变，使相邻的加热管的燃烧器的一次助燃空气入孔处和二次助燃空气吸入处均没有加热管的尾气影响，一次助燃空气和二次助燃空气的质量的提高，燃烧器的热效率也将进一步提高。

2、U型加热管提高SOFC工作区的热效率，将SOFC工作区更改为四周均受加热管加热。加热管的首端和尾端的上、下对应，使SOFC工作区温度场分布更加均匀。克服直型加热管只对SOFC工作区底部加热的缺点。

3、在U型加热管的尾气出口处用一个氧化铝制成的连接件，连接件的上半部是一个90度的管状弯头，管状弯头的内经与U型加热管的内经相同利用U型加热管的尾气对SOFC的燃料气体进行预热和重整。进一步提高了总体的热效率利用。

二、封闭式SOFC工作区：

1、本发明将封闭式SOFC工作区代替前、后开放式SOFC工作区的作用是：

前、后开放式SOFC工作区的热损失特别大。而且，对SOFC工作区温度场均匀分布影响也很大。造成很大温度梯度，影响SOFC的实验准确性。封闭式SOFC工作区，将SOFC的阴极燃料气体使用后的尾气，经过管路输入到阳极燃料高温预热室，在阳极燃料高温预热室对将要输入到SOFC工作区的阳极燃料气体，进行使用前的预热和阳极燃料的高温重整。其效果是提高了热效率利用，降低SOFC工作区的温度梯度，

管状SOFC的管内壁是阳极，管状SOFC的管外壁是阴极。管内壁阳极室的中心处有一根细的氧化铝管，它是阳极燃料输入管，向管内壁阳极输入燃料。因为，管状SOFC的管外壁是阴极。

由于本发明设计的封闭式SOFC工作区，改变背景技术的每个SOFC都是独立的阴极燃料室，本发明设计的是一个公共的阴极燃料室，在SOFC工作区内与每个管状SOFC的管外壁之间都是阴极室，都充满经过的阴极燃料气体。侧掉每个SOFC外部的氧化铝管(独立的阴极燃料室)，使SOFC工作区内的SOFC放置将更加紧凑，每个SOFC之间所处温场、阴极燃料的流量和流速进一步均匀和一致。

2、本发明将SOFC工作区与水平面的夹角在30度，SOFC的阳极燃料气体的入口和出口都在SOFC工作区与水平面的夹角斜边的低处。这样，根据氢气和富氢气体质量小的原理，SOFC的阳极燃料气体无论是用氢气，还是用天然气、煤气(经过重整)等富氢气体，都能将阳极燃料气体充满SOFC的阳极面的每个角落。从而，彻底解决阳极燃料室混入氧气导致阳极燃料室爆燃的事故。阴极燃料气体的入口处在SOFC工作区与水平面的夹角斜边的高处，阴极燃料气体的出口处在SOFC工作区与水平面的夹角斜边的低处，将SOFC的阴极燃料气体使用后的尾气，经过管路输入到阳极燃料预热室，对将要输入到SOFC工作区的阳极燃料气体，进行使用前的预热和燃料的高温重整。

3、本发明将SOFC在30度倾角的SOFC工作区内等距离地放置，此方法优于将SOFC水平放置和SOFC垂直放置。因为，SOFC水平放置存在阳极燃料室混入氧气导致阳极燃料室爆燃损毁的事故危险。SOFC垂直放置必须采用高温密封材料对SOFC密封和固定，SOFC的安装和拆卸非常繁琐，SOFC极易受到损毁。

三、SOFC燃料气体供给部分：

SOFC实施的一个重要技术指标是燃料的消耗量和燃料的成本。那么就要在相同类别的SOFC里，用两个或多个SOFC，每个SOFC使用一种燃料，例如氢气、天然气和煤气等，在SOFC工作区进行两个或多个SOFC的燃料对比实验，根据SOFC发电的技术参数、燃料的使用量(流速)和燃料使用时的压力，找出最佳的燃料。

燃料的流量和流速的控制

无论是阴极燃料，还是阳极燃料都要经过压力表，进入气体流量计经管路进入燃料预热室，再进入SOFC工作区。本发明设有7路压力表及体流量计的燃料输入控制管路。其中，3路阳极燃料经流量和流速的控制进入阳极燃料低温预热室，进行阳极燃料添加H₂O及控制和阳极燃料的低温重整；还有3路阳极燃料经流量和流速的控制直接进入阳极燃料高温预热室，进行阳极燃料的高温预热；还有1路阴极燃料经流量和流速的控制进入阴极燃料的高温预热室，进行阴极燃料的高温预热。阴极和阳极燃料的燃料预热，可防止SOFC工作区温度的下降，也可防止SOFC工作区温度梯度的产生。燃料气体如不进行燃料预热，低温燃料气体直接进入高温的SOFC，电解质很有可能发生突然断裂，造成燃料气体泄露，毁坏SOFC的电极及整体SOFC。

四、燃料气体重整部分

阳极燃料的低温重整

一些阳极燃料在使用之前，须进行燃料气体重整。例如阳极燃料是天然气、煤气和甲烷等都须进行燃料气体重整，例如甲烷，它的气体重整化学反应是：

CH₄+H₂O＝CO+3H₂

CO+H₂O＝CO₂+H₂

CH₄+2H₂O＝4H₂+CO₂

阳极燃料低温室的功能是阳极燃料添加H₂O及H₂O控制，将阳极燃料进行低温重整，产生CO和3H2。本发明阳极燃料低温室内设有3个水箱，水箱的热源来自加热管(左侧)尾气的余热，阳极燃料低温预热室的阳极燃料输入管口在水箱的底部，阳极燃料气体的浮出水面时，带出一些H₂O，H₂O的多少是与阳极燃料的流速成正比的。同时H₂O的流量也和水箱内水的温度成正比。根据H₂O用量的不同，控制水箱内水的温度。控制水箱内水的温度是用水箱内的热电偶做温度传感器，在热电偶的外面套陶瓷管，并作密封处理，对燃料气体是安全的。水箱内水的温度超过设定的温度时，设在该装置之外的温度控制仪(普通型)启动水泵将凉水注入水箱，热水的流出，这样的凉水与热水的循环，使水箱内水的温度降到设定的温度时，水泵将停止工作。因为，加热管尾气的余热对小水箱加热是连续的，所以用水泵就能控制水箱内水的温度是完全可行的。燃料气体的流速是用压力表和流量计控制的。阳极燃料输出管口在水箱的顶部，水箱的循环水入口在水箱底部，水箱的循环水出口在水箱上半部，循环水出口与阳极燃料输出管口之间用一个挡板从水箱顶部向下隔开，挡板与水箱底部还有一定的空间，它是循环水通道，挡板的作用是防止阳极燃料从循环水出口流出。阳极燃料输出管口在水箱的顶部，阳极燃料经过低温重整和低温预热之后，再进入阳极燃料高温预热室。

阳极燃料高温预热室

阳极燃料高温预热室功能是阳极燃料的高温重整和高温预热。可防止SOFC工作区温度的下降，也可防止低温阳极燃料气体直接进入高温的SOFC工作区，使电解质很有可能发生断裂，造成燃料气体泄露，毁坏SOFC的电极及SOFC工作区。阳极燃料高温室热源来自SOFC工作区的阴极燃料尾气的余热。阳极燃料高温预热室可同时对六路阳极燃料高温预热，其中3路阳极燃料是经过阳极燃料低温预热室的低温重整后进入的，在阳极燃料高温预热室进行高温重整和高温预热。另外3路阳极燃料(氢气)是经过流量和流速的控制直接进入阳极燃料高温预热室进行高温预热的，高温预热后的阳极燃料，可直接进入SOFC工作区。

本发明的有益效果是：

1、解决背景技术的加热管尾气与相邻的燃烧器非常近，加热管尾气当作一次助燃空气和二次助燃空气被吸入相邻的燃烧器里，这样对燃烧器的燃烧效果影响很大。本发明设计更改加热管尾气的出口方向。

2、解决背景技术在SOFC工作区底部单侧加热管加热，SOFC工作区受热不均匀问题，本发明解决的技术方法是设计U型加热管加热。使SOFC工作区的四周围均受加热管的加热。达到SOFC工作区所要求的温度场分布均匀的目的。

3、为提高SOFC工作区的热效率，将背景技术的SOFC工作区的前、后门开放式，更改为本发明设计的封闭式SOFC工作区。

4、由于本发明设计的封闭式SOFC工作区，改变背景技术的每个SOFC都是独立的阴极燃料室，本发明设计的是一个公共的阴极燃料室，侧掉每个SOFC外部的氧化铝管，使SOFC工作区内的SOFC放置将更加紧凑，每个SOFC之间所处温场、阴极燃料的流量和流速进一步均匀和一致。

5、为解决背景技术的SOFC的阳极燃料室不能充满阳极燃料问题及阳极燃料室的爆燃问题，本发明将SOFC工作区的水平设计，更改为SOFC工作区与水平面成30度夹角的倾斜式SOFC工作区的设计。

6、为解决SOFC阳极燃料方面研究的需要，本发明设计同时可满足六种不同的阳极燃料进行对比的实验装置。而且，该实验装置还可满足三种不同的阳极燃料进行阳极燃料重整对比的实验功能。

7、根据阳极燃料重整的需要，本发明利用左侧加热管的尾气的余热，设计三个水箱产生水蒸气，完成阳极燃料与水蒸气的混合，并且将混合的气体进行低温重整。产生水蒸气的多少，是由水箱中的水温度控制，水的温度是由水箱的循环水控制，循环水是由测温热电偶的信号控制。

8、利用SOFC工作区的余热(阴极燃料的尾气)，本发明设计高温预热室，该预热室对阳极燃料低温重整后气体进行高温重整，同时，还可以对另外三路不用燃料重整的阳极燃料进行使用前的高温预热。

9、本发明利用右侧加热管的尾气的余热，设计一个高温阴极燃料预热室，对使用前的阴极燃料气体进行高温预热。

附图说明

图1是背景技术的固体氧化物燃料电池加热炉整体结构主视图。

图2是背景技术的固体氧化物燃料电池加热炉整体结构俯视图。

图3是图2A-A面左视图。

图4是背景技术的固体氧化物燃料电池加热炉整体结构后视图。

图5是背景技术的燃烧器和加热管示意图。

图6是背景技术的固体氧化物燃料电池的安装结构示意图。

图7是本发明的总体结构的主视图。

图8是本发明的总体结构的俯视图。

图9是本发明的总体结构的左视图。

图10是本发明的燃烧器和U型加热管结构示意图。

图11是本发明的封闭式SOFC工作区结构示意图。

图12是本发明的总体结构的俯视透视图。

图13是本发明的总体结构的左视透视图。

图14是本发明的总体结构的右视透视图。

具体实施方式

结合附图对SOFC综合性能实验装置作进一步叙述如下：

实施例1：加热部分，包括燃烧器和U型加热管

燃烧器是用铜材料加工制作。如图12～14和图10所示，由于本发明加热管的尾气最终排放口57在SOFC综合性能实验装置的上部，燃烧器在一次助燃空气入孔4和二次助燃空气入口6处均没有加热管的尾气影响。因此，一次助燃空气和二次助燃空气的质量提高(氧含量提高)。同时燃烧器的热效率也得以提高。

如图13和图11所示，本发明SOFC工作区内的阴极燃料室15是集成为公共阴极燃料室。阴极燃料室15是用氧化铝材料制作。公共阴极燃料室15使SOFC工作区11内的温度分布是均匀的。如图12所示，本发明燃烧器的煤气燃料输入管路1*2同侧(左侧)燃烧器是共用一个煤气燃料输入管路1*2和阀门2*2。右侧燃烧器也是共用一个煤气燃料输入管路1*2和阀门2*2。输入管路1*2和阀门2*2的精减，使燃烧器的操作更加简便。

U型加热管如图10所示，左侧开口的U型加热管21是由氧化铝材料制成，左侧燃烧器二次助燃空气入口6与左侧开口的U型加热管21同轴安装，左侧开口的U型加热管输出端22与氧化铝制成的左侧开口的连接件24相连接。左侧开口的U型加热管输出端22与左侧开口的连接件24的内径相同，并在连接处用高温密封材料密封连接。如图10所示，左侧开口的连接件24的输出端23与阳极燃料低温预热室90连接，连接处用高温密封材料密封连接。左侧开口的U型加热管21的尾气经由阳极燃料低温预热室90的预热利用后，在SOFC管16综合性能实验装置顶部57排放。因此，左侧开口的U型加热管21的尾气对左侧燃烧器和右侧燃烧器29的一次助燃空气和二次助燃空气的质量没有任何影响。如图10所示，右侧燃烧器29在二次助燃空气吸入处与右侧开口的U型加热管25同轴安装，右侧开口的U型加热管25的输出端26与氧化铝制成的右侧开口的连接件28相连接。右侧开口的U型加热管25的输出端26与右侧开口的连接件28的内径相同，并在连接处用高温密封材料密封连接。右侧开口的连接件28的输出端27与阴极燃料高温预热室92连接，连接处用高温密封材料密封连接。如图10所示，SOFC综合性能实验装置的外壳32是不锈钢板制成，外壳32与右侧开口的连接件28之间是用耐高温的保温材料33填充，外壳32与连接件24之间也是用耐高温的保温材料33填充。

实施例2：封闭式SOFC工作区

封闭式SOFC工作区如图11所示，SOFC工作区11的上、下两面是用左侧开口的U型加热管21和右侧开口的U型加热管25共计十八根U型加热管、还有左侧开口的连接件24和右侧开口的连接件28共计十八个连接件所围成四周闭合的SOFC工作区11。左侧开口的U型加热管21和连接件24等都是用氧化铝材料制成。而且，加热管与加热管、连接件与连接件之间都做耐高温材料密封处理。SOFC工作区11内的SOFC周围阴极燃料室15也用氧化铝板材制成并密封处理。SOFC管16外侧阴极燃料室15与外壳32之间是用耐高温的保温材料33填充，在SOFC管16的安装口31处也是用耐高温的保温材料33密封。经过阴极燃料高温室92高温预热的阴极燃料在阴极燃料输出口36，进入封闭式SOFC工作区11内，沿着SOFC工作区11的上、下两面与SOFC管16外壁阴极表面之间的空间流动，充满公共阴极燃料室15。阴极燃料用完之后的尾气在阴极燃料出口34处，经用氧化铝制成的通道，进入阳极燃料高温预热室91。SOFC管16的工作温度是800～1000℃，SOFC管16工作区经过封闭和保温材料33保温，SOFC管16工作区降低了温差，SOFC管16与SOFC管16之间的放置将更加紧凑。

封闭式SOFC工作区11如图11所示，SOFC工作区11与水平面成一定角度倾斜，比如成30度倾角，同样SOFC管16与水平面也成一定角度倾斜，比如成30度倾角。在燃烧器及左侧开口的U型加热管21升温之前，将阳极燃料经过阳极燃料输入管17，到达SOFC管16的顶部，再沿着SOFC管16的内壁阳极18的表面与阳极燃料输入管17之间的空间流动，由于氢气或富氢气体的质量轻和阳极燃料排放口13在SOFC管16的低端原因，阳极燃料很快就将阳极18内的空气及其它气体吹扫出排放口13之外。这样封闭式SOFC工作区的温度升到SOFC管16工作温度(800～1000℃)时，阳极18内也就不能发生爆燃。当阳极燃料充满时，即阳极燃料流动到排放口13时，在阳极燃料排放口13处将没有完全反应的富氢气体用火点燃。目的是防止可燃气体(富氢气体)排放室内不安全，在排放口13处将富氢气体点燃，燃烧的火焰对阳极燃料输入管17预热升温作用，还可防止在阳极燃料排放口13处的冷空气进入SOFC管16内。

SOFC的发电输出如图7～9所示，将SOFC管16的阳电极引线60和阴电极引线40连接在连接板61内的接线柱62上，通过接线柱62之间连接，可实现SOFC管16的串联和并联输出。并与SOFC综合性能实验装置外的(电压、电流和阻抗测试)仪器连接，测出实验数据。

实施例3：燃料的流量和流速的控制

燃料的流量和流速的控制参见图7、图9和图12～14，本发明有六路阳极燃料输入端口66、67、68、69、70、53，还有1路阴极燃料在阴极燃料输入端口55，在上述七个燃料输入端口经三种不同路径进入SOFC工作区11。

第一种路径是三路阳极燃料输入端口66、67、68，分别与相对应的阳极燃料压力表47*6连接，再分别与相对应的阳极燃料流量计50*6连接，阳极燃料输入端口66、67、68，分别与相对应的阳极燃料压力表47*6和再分别与相对应的阳极燃料流量计50*6之间的连接件是用不锈钢管连接。在阳极燃料流量计50*6上阳极燃料调节旋钮84*6可控制阳极燃料输入流量和流速。三路阳极燃料经阳极燃料流量计50*6后，用氧化铝管连接，再进入阳极燃料低温预热室90和阳极燃料高温预热室91进行重整和预热后，经阳极燃料输出口56*6输出，并与套有保温材料33的不锈钢管81*6连接，不锈钢管81*6与活接头89*6连接，活接头89*6再与SOFC管16的阳极燃料输入口12连接。最后进入SOFC管16。

第二种路径是三路阳极燃料输入端口69、70、53，分别与相对应的阳极燃料压力表47*6连接，再分别与相对应的阳极燃料流量计50*6连接，阳极燃料输入端口69、70、53，分别与相对应的阳极燃料压力表47*6和再分别与相对应的阳极燃料流量计50*6之间的连接件是用不锈钢管连接。在阳极燃料流量计50*6上阳极燃料调节旋钮84*6可控制阳极燃料输入流量和流速。三路阳极燃料经阳极燃料流量计50*6后，用氧化铝管连接，再进入阳极燃料高温预热室91进行高温预热后，经阳极燃料输出口56*6输出，并与套有保温材料33的不锈钢管81*6连接，不锈钢管81*6与活接头89*6连接，活接头89*6再与SOFC管16的阳极燃料输入口12连接。最后进入SOFC管16。

第三种路径是阴极燃料输入端口55与阴极燃料压力表54连接，再与阴极燃料流量计51连接，阴极燃料输入端口55与阴极燃料压力表54和阴极燃料流量计51之间的连接件是用不锈钢管连接。在阴极燃料流量计51上阴极燃料调节旋钮52可控制阴极燃料输入流量和流速。阴极燃料经阴极燃料流量计51后，通过阴极燃料管35(使用氧化铝管)进入阴极燃料高温预热室92进行高温预热，再由阴极燃料管35连接阴极燃料输出口36，最后阴极燃料经输出口36进入SOFC工作区内的阴极燃料室15。

实施例4：燃料气体重整部分

燃料气体重整部分主要包括：阳极燃料低温预热室90；阳极燃料高温预热室91；具体结构参见图12和图7。

阳极燃料低温预热室90包括三个水箱63、64、65。

如图12～14所示，水箱63的阳极燃料输入管71，是由阳极燃料输入端口66经阳极燃料压力表47*6连接，再与阳极燃料流量计50*6连接，经过调节旋钮84*6调节流量的控制，通过不锈钢管与水箱63的阳极燃料输入管71连接，阳极燃料输入管71进入水箱63的底部(水平面之下)，经阳极燃料水下出口87*3，阳极燃料气体以水泡的方式浮出水平面。此时，阳极燃料气体中带入H₂O，H₂O的加入量主要与水箱63内的水温有关，H₂O与水温成正比。阳极燃料气体与H₂O混合的预热，完成阳极燃料的低温重整。即CH₄+H₂O＝CO+3H₂。完成阳极燃料的低温重整的CO+3H₂通过阳极燃料输出管72，进入阳极燃料高温预热室91。

如图12～14所示，同样，水箱64的阳极燃料输入管73，是由阳极燃料输入端口67经阳极燃料压力表47*6连接，再与阳极燃料流量计50*6连接，经过调节旋钮84*6调节流量的控制，通过不锈钢管与水箱64的阳极燃料输入管73连接，阳极燃料输入管73进入水箱64的底部(水平面之下)，经阳极燃料水下出口87*3，阳极燃料气体以水泡的方式浮出水平面。此时，阳极燃料气体中带入H₂O，H₂O的加入量主要与水箱64内的水温有关，H₂O与水温成正比。阳极燃料气体与H₂O混合的预热，完成阳极燃料的低温重整。即CH₄+H₂O＝CO+3H₂。完成阳极燃料的低温重整的CO+3H₂通过阳极燃料输出管74，进入阳极燃料高温预热室91。

如图12～14所示，同理，水箱65的阳极燃料输入管75，是由阳极燃料输入端口68经阳极燃料压力表47*6连接，再与阳极燃料流量计50*6连接，经过调节旋钮84*6调节流量的控制，通过不锈钢管与水箱65的阳极燃料输入管75连接，阳极燃料输入管75进入水箱65的底部(水平面之下)，经阳极燃料水下出口87*3，阳极燃料气体以水泡的方式浮出水平面。此时，阳极燃料气体中带入H₂O，H₂O的加入量主要与水箱65内的水温有关，H₂O与水温成正比。阳极燃料气体与H₂O混合的预热，完成阳极燃料的低温重整。即CH₄+H₂O＝CO+3H₂。完成阳极燃料的低温重整的CO+3H₂通过阳极燃料输出管76，进入阳极燃料高温预热室91。

如图8和图12～14，其中给出水箱63的水温和水位的控制结构。因为，H₂O的加入量主要与水箱63内的水温有关，H₂O的加入量与水温成正比。水温的控制是由热电偶93*3做水温传感器，热电偶93*3再连接该装置之外的温度控制仪(普通型)，控制SOFC综合性能实验装置之外的水泵循环水的启动或关闭。如图7和图9所示，水泵循环水通过的输入管45进入水箱63，再通过的循环水输出管41流出水箱63。因为，水箱63在阳极燃料低温预热室90内，如图10所示，阳极燃料低温预热室90的热源是由左侧开口的U型加热管21尾气提供。左侧开口的U型加热管21尾气对阳极燃料低温预热室90预热后，如图8所示，经阳极燃料低温预热室90的尾气口57排出。左侧开口的U型加热管21尾气提供的热源是连续的，所以水箱63的水温控制，只需由热电偶93*3做水温传感器，控制SOFC综合性能实验装置之外的水泵循环水的启动或关闭。如图14所示，水箱63的水位的控制由循环水输出管41的位置所决定。水箱63内的挡板86*3作用是防止阳极燃料水下出口87*3浮出水泡(阳极燃料)进入循环水输出管41。是防止阳极燃料通过循环水泄漏。

同理，如图8和图12～14，其中给出水箱64的水温和水位的控制结构。因为，H₂O的加入量主要与水箱64内的水温有关，H₂O与水温成正比。水温的控制是由热电偶93*3做水温传感器，控制SOFC综合性能实验装置之外的水泵循环水的启动或关闭。如图7和图9所示，水泵循环水通过的输入管44进入水箱64，再通过的循环水输出管41流出水箱64。因为，水箱64在阳极燃料低温预热室90内，如图10所示，阳极燃料低温预热室90的热源是由左侧开口的U型加热管21尾气提供。左侧开口的U型加热管21尾气对阳极燃料低温预热室90预热后，如图8所示，经阳极燃料低温预热室90的尾气口57排出。左侧开口的U型加热管21尾气提供的热源是连续的，所以水箱64的水温控制，只需由热电偶93*3做水温传感器，控制SOFC综合性能实验装置之外的水泵循环水的启动或关闭。如图14所示，水箱64的水位的控制由循环水输出管41的位置所决定。水箱64内的挡板86*3作用是防止阳极燃料水下出口87*3浮出水泡(阳极燃料)进入循环水输出管41。是防止阳极燃料通过循环水泄漏。

如图8和图12～14，水箱65的水温和水位的控制与水箱63、水箱64完全相同。

阳极燃料高温预热室

如图12～14所示，阳极燃料高温预热室91有两个端口，其中，下端口是阴极燃料室15产生的尾气(余热)向阳极燃料高温预热室91的热源输入口。上端口是阳极燃料高温预热室91与尾气排放口59相连接口。阳极燃料高温预热室91共有六路阳极燃料输入。其中，有三路阳极燃料输入是经过低温重整阳极燃料72、74、76，阳极燃料72、74、76是从阳极燃料低温预热室90输送到阳极燃料高温预热室91的。这三路阳极燃料72、74、76在阳极燃料高温预热室91进行高温重整，完成下述化学反应：

CO+H₂O＝CO₂+H2；CH₄+2H₂O＝4H₂+CO₂

同时，三路阳极燃料72、74、76在阳极燃料高温预热室91进行高温预热，使三路阳极燃料72、74、76的预热温度达800℃左右。三路阳极燃料72、74、76的管路均由氧化铝材料制成。如图12～14所示，另外三路阳极燃料在阳极燃料输入端口69、70、53输入，并进入相对应的压力表47*6后，再经阳极燃料流量计50*6的调节旋钮84*6调节流量后，分别与相对应的阳极燃料高温预热室91内的阳极燃料77、78、79的管路连接。阳极燃料77、78、79在阳极燃料高温预热室91内进行高温预热，使三路阳极燃料的预热温度达800℃左右。最后进入SOFC管16工作区。

Claims

1.一种固体氧化物燃料电池综合实验装置，结构有外壳(32)，装在外壳(32)内相互垂直的燃烧器和SOFC管(16)；左燃烧器和右燃烧器(29)的喷嘴(5)同轴线的与加热管(9)一端衔接，加热管(9)放置于外壳(32)内，加热管(9)与外壳(32)之间放置保温材料(33)；阳极燃料经阳极燃料输入口(12)、阳极燃料输入管(17)进入SOFC管(16)内；在SOFC管(16)外侧有公共阴极燃料室(15)；其特征是，所述的加热管(9)是U型的，U型加热管输出端(22)与氧化铝制成的连接件(24)密封连接；连接件(24)的上半部是一个90度的管状弯头，U型加热管输出端(22)与连接件(24)的内径相同；所述的加热管(9)，尾气出口设置在SOFC性能实验装置的上部；所述的SOFC工作区(11)，在外壳(32)内是封闭式的，是由U型加热管(25)和连接件(28)所围成区域；在SOFC工作区(11)内，氧化铝板材制成的一个壳体与所有的SOFC管(16)的外壁之间形成一个公共的阴极燃料室(15)；SOFC工作区(11)与水平面成角度倾斜，SOFC管(16)与水平面同样成角度倾斜。

2.按照权利要求1所述的固体氧化物燃料电池综合实验装置，其特征是，所述的SOFC管(16)，安装6组；每组的阳极燃料输入端口(53、66、67、68、69、70)分别与相对应的阳极燃料压力表(47*6)连接，再分别与相对应的阳极燃料流量计(50*6)连接，在阳极燃料流量计(50*6)上的阳极燃料调节旋钮(84*6)控制阳极燃料输入流量和流速；阴极燃料输入端口(55)与阴极燃料压力表(54)连接，再与阴极燃料流量计(51)连接，在阴极燃料流量计(51)上的阴极燃料调节旋钮(52)控制阴极燃料输入流量和流速。

3.按照权利要求1或2所述的固体氧化物燃料电池综合实验装置，其特征是，所述的SOFC管(16)，其中有3组的经阳极燃料流量计(50*6)后，用氧化铝管连接，再进入阳极燃料低温预热室(90)和阳极燃料高温预热室(91)进行重整和预热后，经阳极燃料输出口(56*6)输出，并与套有保温材料(33)的不锈钢管(81*6)连接，不锈钢管(81*6)与活接头(89*6)连接，活接头(89*6)再与SOFC管(16)的阳极燃料输入口(12)连接，最后进入SOFC管(16)；另外3组阳极燃料经阳极燃料流量计(50*6)后，用氧化铝管连接，再进入阳极燃料高温预热室(91)进行重整和预热后，经阳极燃料输出口(56*6)输出，并与套有保温材料(33)的不锈钢管(81*6)连接，不锈钢管(81*6)与活接头(89*6)连接，活接头(89*6)再与SOFC管(16)的阳极燃料输入口(12)连接，最后进入SOFC管(16)；阴极燃料经阴极燃料流量计(51)后，通过阴极燃料管进入阴极燃料高温预热室(92)进行预热，再由阴极燃料管连接阴极燃料输出口(36)，最后经阴极燃料输出口(36)进入SOFC工作区内的阴极燃料室(15)。

4.按照权利要求3所述的固体氧化物燃料电池综合实验装置，其特征是，所述的阳极燃料低温预热室(90)，包括三个水箱，即第一水箱(63)、第二水箱(64)、第三水箱(65)；阳极燃料低温预热室(90)的热源是由U型加热管(21)尾气提供；阳极燃料经过流量和流速的控制后，通过不锈钢管分别与水箱(63、64、65)的阳极燃料输入管(71、73、75)连接，阳极燃料输入管(71、73、75)分别进入水箱(63、64、65)的底部，经阳极燃料水下出口(87*3)，阳极燃料气体以水泡的方式浮出水平面，完成阳极燃料的低温重整；再通过阳极燃料输出管(72、74、76)，进入阳极燃料高温预热室(91)。

5.按照权利要求3所述的固体氧化物燃料电池综合实验装置，其特征是，所述的阳极燃料高温预热室(91)，有两个端口，其中下端口是阴极燃料室(15)向阳极燃料高温预热室(91)的热源输入口，上端口是阳极燃料高温预热室(91)与阴极燃料尾气排放口(59)的连接口；阳极燃料高温预热室(91)的热源来自SOFC工作区(11)的阴极燃料尾气的余热；阳极燃料高温预热室(91)共有6路阳极燃料输入。