CN102306818B - 管状固体氧化物燃料电池堆结构及其预热方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种管状固体氧化物燃料电池堆，包括电池堆保温外壳，电池堆保温外壳内设有气体管道固定及气体隔离板、电池固定及气体隔离板和电池固定板，气体管道固定及气体隔离板、电池固定及气体隔离板和电池固定板将电池堆分隔为燃料气体和氧化气体预热区、阴极和阳极引线区和发电区三个互相独立的区域。本发明中，电池单体的阳极引线和阴极引线处于还原性气氛的引线区中可以防止被氧化；本发明电池堆可以直接使用天然气或者煤气作为燃料气体，通入的天然气或者煤气在电池堆的发电区的高温环境下和燃气进气管中含有的镍做催化剂的条件下进行重整，重整生成的氢气和一氧化碳作为燃料与发电区中的氧气进行发电。
Description
【技术领域】
本发明属于能源、材料加工、电力领域，涉及燃料电池电池堆的结构，特别涉及一种管状高温固体氧化物燃料电池堆。
【背景技术】
高温固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell，简称SOFC)特点为发电效率高，与燃气轮机联合发电，效率高达70％，且余热质量高，如果再合理地利用余热，其热效率能够达到80％以上。污染物接近零排放，为高效清洁的理想发电系统。
目前，国际上开发的SOFC结构主要有板状和管状两种结构。板状结构具有电流通道短、输出电流密度与功率密度相对管状较高和电池堆较紧凑等优点，但板状结构存在高温密封困难，高温热应力不匹配等技术难题；管状结构具有无需高温密封、热应力较小且单电池组装简单，易实现大功率化等特点。
迄今，开发管状结构的代表厂家主要有美国的西门子-西屋电气公司(SWH)和日本的三菱重工(MHI)。1982年6月30日公开的欧洲专利第EP0055016A1号和1992年4月28日公开的美国专利第US5108850A号分别涉及了多孔阴极层作为支撑层的结构；1994年2月10日公开的日本专利第JP636782A号涉及了以多孔金属管作为支撑的管状结构；1993年7月2日公开的日本专利第JP5166517A号涉及到了多孔绝缘陶瓷作为支撑的管状结构。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种管状固体氧化物燃料电池堆及其预热方法，能有效的保护管状结构的固体氧化物燃料电池的阳极引线和阴极引线不被氧化，该电池堆可以直接通入天然气或者煤气作为燃料气体。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种管状固体氧化物燃料电池堆，包括电池堆保温外壳，电池堆保温外壳内设有气体管道固定及气体隔离板、电池固定及气体隔离板和电池固定板，气体管道固定及气体隔离板、电池固定及气体隔离板和电池固定板将电池堆分隔为燃料气体和氧化气体预热区、阴极和阳极引线区和发电区三个互相独立的区域。
本发明进一步的改进在于：所述气体管道固定及气体隔离板上设有通孔将燃料气体和氧化气体预热区和阴极和阳极引线区。
本发明进一步的改进在于：所述电池堆保温外壳内设有多个管状固体氧化物燃料电池单体，管状固体氧化物燃料电池单体包括开口端和封闭端，封闭端固定于电池固定板上，开口端固定于电池固定及气体隔离板上。
本发明进一步的改进在于：所述电池堆还包括氧化性气体管道和燃料气体管道；氧化性气体管道包括主氧化性气体管道和连通主氧化性气体管道的多个次氧化性气体管道；主氧化性气体管道从电池堆保温外壳侧壁伸入燃料气体和氧化气体预热区，连通主氧化性气体管道的次氧化性气体管道固定于气体管道固定及气体隔离板上且穿过阴极和阳极引线区伸入发电区中；燃料气体管道包括主燃料气体管道和次燃料气体管道，主燃料气体管道从电池堆保温外壳侧壁伸入燃料气体和氧化气体预热区，连通主燃料气体管道的次燃料气体管道固定于气体管道固定及气体隔离板上且伸入阴极和阳极引线区连接对应的管状固体氧化物燃料电池单体。
本发明进一步的改进在于：管状固体氧化物燃料电池单体排出的还原性气体进入阴极和阳极引线区内，管状固体氧化物燃料电池单体的阴极和阳极引线位于阴极和阳极引线区内。
本发明进一步的改进在于：发电区中排放出的多余高温氧化性气体引入燃料气体和氧化气体预热区中。
本发明进一步的改进在于：所述管状固体氧化物燃料电池单体包括金属陶瓷支撑管，金属陶瓷支撑管上面设有一层陶瓷绝缘层，陶瓷绝缘层之上分布着互相串联的多个单电池元，各个单电池元通过连接极彼此串联。
本发明进一步的改进在于：所述管状固体氧化物燃料电池单体包括金属陶瓷支撑管，金属陶瓷支撑管上依次设有阳极、电解质、阴极和阴极汇流极。
为了实现上述目的，本发明预热方法采用如下技术方案：
一种管状固体氧化物燃料电池堆，包括电池堆保温外壳，电池堆保温外壳内设有气体管道固定及气体隔离板、电池固定及气体隔离板和电池固定板，气体管道固定及气体隔离板、电池固定及气体隔离板和电池固定板将电池堆分隔为燃料气体和氧化气体预热区、阴极和阳极引线区和发电区三个区域。
所述气体管道固定及气体隔离板上设有通孔将燃料气体和氧化气体预热区和阴极和阳极引线区连通。
所述电池堆保温外壳内设有多个管状固体氧化物燃料电池单体，管状固体氧化物燃料电池单体包括开口端和封闭端，封闭端固定于电池固定板上，开口端固定于电池固定及气体隔离板上；管状固体氧化物燃料电池单体的阴极和阳极引线位于阴极和阳极引线区内。
所述电池堆还包括氧化性气体管道和燃料气体管道；氧化性气体管道包括主氧化性气体管道和连通主氧化性气体管道的多个次氧化性气体管道；主氧化性气体管道从电池堆保温外壳侧壁伸入燃料气体和氧化气体预热区，次氧化性气体管道固定于气体管道固定及气体隔离板上且穿过阴极和阳极引线区伸入发电区中；燃料气体管道包括主燃料气体管道和连通主燃料气体管道的燃气进气管，主燃料气体管道从电池堆保温外壳侧壁伸入燃料气体和氧化气体预热区，燃气进气管固定于气体管道固定及气体隔离板上且伸入阴极和阳极引线区对应的管状固体氧化物燃料电池单体中。
如果燃料气体在单电池管内实现重整，燃气进气管为材质中含有镍或铁等金属催化剂的金属管或金属陶瓷管，如果燃料气体在单电池管外部实现重整，燃气进气管可以为金属管、金属陶瓷管或陶瓷管。
所述燃气进气管为金属管或金属陶瓷管，该金属或金属陶瓷管的材质中含有镍或铁金属催化剂；氧化性气体管道中通入氧气，燃料气体管道中通入碳氢化合物气体；碳氢化合物气体通过燃气进气管进入管状固体氧化物燃料电池单体内，燃气进气管的材质中含有催化剂镍或铁，碳氢化合物气体在发电区的管状固体氧化物燃料电池单体内进行重整；生成的氢气和一氧化碳在发电区与氧化性气体管道中通入的氧气进行发电。所述碳氢化合物气体为天然气、煤气或其它气体。
所述管状固体氧化物燃料电池单体包括金属陶瓷支撑管，金属陶瓷支撑管上面设有一层陶瓷绝缘层，陶瓷绝缘层之上分布着互相串联的多个单电池元，各个单电池元通过连接极彼此串联。
所述管状固体氧化物燃料电池单体包括金属陶瓷支撑管，金属陶瓷支撑管上依次设有阳极、电解质、阴极和阴极汇流极。
一种管状固体氧化物燃料电池堆的预热方法，包括：1)电池堆开始工作前，电池堆的预热到工作温度可以采用两种方式，一种是电加热，另一种为高温气体预热。需采用气体预热的方式时，预热气体需要外部提供，如果预热气体为惰性气体，预热气体从电池堆氧化性气体管道和燃料气体管道通入到电池堆内部，等电池堆温度升高至可以工作的温度，然后燃料气体管道转换成燃料气体，氧化性气体管道转换成氧化性气体，电池堆开始发电；2)电池堆开始工作后，通过氧化性气体管道通入的氧化性气体和通过燃料气体管道通入的燃料气体预热的方式采用高温气体预热。管状固体氧化物燃料电池单体排出的高温还原性气体进入燃料和氧化性气体预热区和阴极和阳极引线区，对氧化性气体管道中的氧化性气体和燃料气体管道内的燃气进行预热。
可以将发电区中排放出的多余高温氧化性气体部分引入燃料气体和氧化气体预热区中，使氧化性气体和氧化气体预热区中的燃料气体燃烧进一步提高燃料和氧化性气体预热区的温度。
本发明的其它一些特点是：
电池堆是由多个管状SOFC单体串并联组成，该管状SOFC单体的为一端封闭，一端开口的管状多孔金属陶瓷支撑体，支撑体外侧为一层多孔的陶瓷绝缘层，绝缘层外为互相串联的多个单电池元。SOFC单体内部通入的为燃料气体，外部通入的为氧化性气体。
电池堆分为燃料气体和氧化气体预热区，阴极与阳极引线区和发电区。燃料气体和氧化气体预热区和阴极与阳极引线区可以通过电池堆排出的高温还原性气体对进入电池管内的燃气与氧气进行预热。
在燃料气体和氧化气体预热区内，如果预热能力不满足设定要求，可以通入阴极侧排出的高温氧化性气体，通过调整气体流量和分压，控制燃烧程度，进一步提高预热能力。
电池堆的阴极和阳极引线区的高温气氛为惰性或还原气氛气体，阴极和阳极引线区处于惰性或还原气氛下能够保持金属导线或连接板不被氧化。
电池堆内的电池管发电前需进行预热处理，预热可以采用外部电加热也可以采用气体加热方式达到电池开始工作温度。
电池堆的燃气可以采用氢气、天然气、生物质气化气或其它碳氢化合物气体，预热区的燃气传输管道及单管电池的支撑层可以兼作碳氢化合物的重整器。
电池堆输出电压可以通过单管电池的串并联在内部调整，也可以通过串并联和逆变方式在电池堆外部调整。电池堆排出的高温气体可以与蒸汽轮机或者燃气轮机或者两者同时进行联合循环发电。
相对于现有技术，本发明具有以下优点：本发明电池堆结构通过隔板分割成独立的三个区域，发电区进行发电，管状固体氧化物燃料电池单体中排除的还原性气体进入引线区和预热区对燃料气体管道和氧化性气体管道进行预热，同时管状固体氧化物燃料电池单体的阳极引线和阴极引线处于还原性气氛的引线区中可以防止被氧化；本发明电池堆可以直接使用天然气或者煤气作为燃料气体，通入的天然气或者煤气在电池堆的发电区的高温环境下(800度以上)和燃气进气管中含有的镍做催化剂的条件下进行重整，生成氢气和一氧化碳，重整生成的氢气和一氧化碳与发电区中的氧气进行发电；本发明利用电池堆作为重整器，可以直接使用一次能源天然气或煤气，省去使用二次能源氢气的制备步骤。
【附图说明】
图1是本发明一种SOFC电池堆的基本结构示意图，其中：1为燃料气体与氧化气体预热区，2为阴极和阳极引线区，3为发电区，4为燃料电池管，5为氧化性气体管道，6为燃料气体管道，7为电池堆保温外壳，8为气体管道固定及气体隔离板，9为电池固定及气体隔离板，10为电池固定板；
图2是一种SOFC单电池串联集成后的单管电池组的基本结构示意图，此结构金属陶瓷支撑体与最后一个单电池元的阳极相连，其中：11为燃气进气管，12为金属陶瓷支撑管，13为陶瓷绝缘层，14为阳极，15为电解质，16为阴极，17为连接极；
图3是一种SOFC单电池的基本结构示意图，其中：18为金属陶瓷支撑管，19为阳极，20为电解质，21为阴极，22为汇流极。
【具体实施方式】
以下结合附图和发明人给出的具体实施例对本发明作进一步详细说明。
图1是本发明一种SOFC电池堆的基本结构示意图，本发明电池堆是由多个管状SOFC单体组成，管状SOFC单体为一端封闭，一端开口的管状结构，SOFC单体内部通入燃料气体，外部通入氧化性气体。多个管状SOFC单体封装于电池堆保温外壳7内，电池堆保温外壳7内设有气体管道固定及气体隔离板8、电池固定及气体隔离板9和电池固定板10；管状SOFC单体的封闭端固定于电池固定板10上，开口端固定于电池固定及气体隔离板9，电池固定及气体隔离板9和电池固定板10之间形成发电区3。气体管道固定及气体隔离板8和电池固定及气体隔离板9之间形成阴极和阳极引线区2，气体管道固定及气体隔离板8与电池堆保温外壳7左侧之间形成电池堆分为燃料气体和氧化气体预热区1。燃料气体管道6包括伸出电池堆保温外壳7的主燃料气体管道61和连接各管状SOFC单体的次燃料气体管道62，主燃料气体管道61和次燃料气体管道62连通为各管状SOFC单体提供燃气；主燃料气体管道61从电池堆保温外壳7侧壁伸入燃料气体和氧化气体预热区1，连通主燃料气体管道61的次燃料气体管道62固定于气体管道固定及气体隔离板8上且伸入阴极和阳极引线区2连接对应的管状SOFC单体。氧化性气体管道5包括主氧化性气体管道51和连通主氧化性气体管道51的多个次氧化性气体管道52；主氧化性气体管道51从电池堆保温外壳7侧壁伸入燃料气体和氧化气体预热区1，连通主氧化性气体管道51的次氧化性气体管道52固定于气体管道固定及气体隔离板8上且穿过阴极和阳极引线区2伸入发电区3中。
阴极和阳极引线区2为电池管阳极排出的还原性气体，不仅可以预热氧化性气体管道5的氧化性气体和燃料气体管道6内的燃气，还可以保护阴极和阳极引线区2内的阳极和阴极引线不被氧化。气体管道固定及气体隔离板8上设有多个通孔80，可使阴极和阳极引线区2内的还原性气体进入燃料气体与氧化气体预热区1中对氧化性气体管道5的氧化性气体和燃料气体管道6内的燃气进行预热。
图2是适合于电池堆的一种SOFC单管电池组的基本结构示意图，单管电池组由金属陶瓷支撑管12支撑，金属陶瓷支撑管12上面一层陶瓷绝缘层13，陶瓷绝缘层13之上的有效电池区域依次分布着互相串联的多个单电池元，各个单电池元通过连接极17彼此串联而成。在闭口端，此结构金属陶瓷支撑体与最后一个单电池元通过连接极17与阴极16相连，发电过程中金属陶瓷支撑管12起传输单管电池组阴极电流的作用。开口端为第一个单电池元至金属陶瓷支撑管12开口端的区域，此区主要是将串联后单管电池组阳极的电流传输至金属陶瓷支撑管12开口区域。
图3是另一种适合于电池堆的SOFC单管电池的基本结构示意图，此结构与图2所示结构的不同之处在于一个电池管只包含一个单电池。金属陶瓷支撑管18上直接为阳极19，然后依次为电解质20、阴极21和阴极汇流极22。发电过程中金属陶瓷支撑管18还起传输阳极电流的作用。
本发明中氧化性气体管道5中通入氧气，燃料气体管道6中可以直接通入天然气或者煤气；天然气或者煤气通过燃气进气管11进入管状固体氧化物燃料电池单体内，燃气进气管11的材质中含有催化剂镍，天然气或者煤气在发电区的管状固体氧化物燃料电池单体内进行重整，生成氢气和一氧化碳；生成的氢气和一氧化碳在发电区3与氧化性气体管道5中通入的氧气进行发电。
为了更详细的理解本发明所涉及的单管电池组的结构，以下是发明人给出的几个具体实施例。
实施例1
SOFC电池堆的基本结构采用如图1所示，电池堆分为燃料气体和氧化气体预热区1，阴极和阳极引线区2和发电区3。电池堆内的电池管采用如图2所示，电池堆有100个单管电池组成，每一排10个共10排。每一个单管电池组分别有10个单电池串联，每个单电池的长度为5cm。阴极和阳极引线区2为电池管阳极排出的还原性气体，在燃料和氧化性气体预热区1内的预热气体为从阴极和阳极引线区2排出的还原性气体。在电池堆外侧的燃料和还原性气体由电池堆阴极16侧排放的高温氧化性气体进行初级预热。
电池堆开始工作前，采用气体预热的方式首先将电池堆加热到设定温度600℃，预热气体为从电池堆氧化性气体管道5通入的高温气体，通过调控高温气体的温度缓慢的将电池堆温度升高至可以工作的温度。然后燃料气体管道6转换成燃料气体，氧化性气体管道5转换成氧化性气体，电池堆开始发电。
实施例2
与实施例1主要不同之处在于如图1所示的燃料和氧化性气体预热区1内通入的气体。实施例1为电池堆阳极侧排放的高温还原性气体，本实施例为了进一步提高预热程度，在燃料和氧化性气体预热区1内引入了部分电池堆阴极侧排放的高温氧化性气体，通过燃料与氧化性气体的进一步提高燃料和氧化性气体预热区1的温度，提高预热效果。
实施例3
与实施例1主要不同之处在于电池堆内的电池管数量及单个电池管上串联电池的数目，本实施例由50个单管电池组成，每一排10个共5排。每一个单管电池组分别有15个单电池元串联，每个单电池元的长度为3cm。
实施例4
与实施例1主要不同之处在于电池堆开始工作前的预热方式，本实施例采用燃料气体管道6和氧化性气体管道5同时通入高温气体，燃料气体管道6通入的为高温惰性气体，氧化性气体管道5可以通入高温惰性气体也可以通入氧气和燃料气体，通过调控高温气体的温度缓慢的将电池堆升高度可以工作的温度。然后燃料气体管道6转换成燃料气体，氧化性气体管道5转换成氧化性气体，电池堆开始发电。
实施例5
SOFC电池堆的基本结构采用如图1所示，电池堆分为燃料气体和氧化气体预热区1，阴极和阳极引线区2和发电区3。电池堆内的电池管采用如图2所示，电池堆有100个单管电池组成，每一排10个共10排。每一个单管电池的有效长度为20cm。阴极和阳极引线区2为电池管阳极排出的还原性气体，在燃料和氧化性气体预热区1内的预热气体为从阴极和阳极引线区2排出的还原性气体。在电池堆外侧的燃料和还原性气体由电池堆阴极侧排放的高温氧化性气体进行初级预热。
本发明所涉及的高温固体氧化物燃料电池电池堆的结构，绝非仅限于说明书附图与具体实施例所示的结构。
Claims (7)
1.一种管状固体氧化物燃料电池堆，其特征在于，包括电池堆保温外壳（7），电池堆保温外壳（7）内设有气体管道固定及气体隔离板（8）、电池固定及气体隔离板（9）和电池固定板（10），气体管道固定及气体隔离板（8）、电池固定及气体隔离板（9）和电池固定板（10）将电池堆分隔为燃料气体和氧化气体预热区（1）、阴极和阳极引线区（2）和发电区（3）三个区域；
所述电池堆保温外壳（7）内设有多个管状固体氧化物燃料电池单体，管状固体氧化物燃料电池单体包括开口端和封闭端，封闭端定位于电池固定板（10）上，开口端固定于电池固定及气体隔离板（9）上；管状固体氧化物燃料电池单体的阴极和阳极引线位于阴极和阳极引线区（2）内；
所述电池堆还包括氧化性气体管道（5）和燃料气体管道（6）；
氧化性气体管道（5）包括主氧化性气体管道（51）和连通主氧化性气体管道（51）的多个次氧化性气体管道（52）；主氧化性气体管道（51）从电池堆保温外壳（7）侧壁伸入燃料气体和氧化气体预热区（1），次氧化性气体管道（52）固定于气体管道固定及气体隔离板（8）上且穿过阴极和阳极引线区（2）伸入发电区（3）中；
燃料气体管道（6）包括主燃料气体管道（61）和连通主燃料气体管道（61）的燃气进气管（11），主燃料气体管道（61）从电池堆保温外壳（7）侧壁伸入燃料气体和氧化气体预热区（1），燃气进气管（11）固定于气体管道固定及气体隔离板（8）上且伸入阴极和阳极引线区（2）对应的管状固体氧化物燃料电池单体中；
燃气进气管（11）的材质中含有镍或铁金属催化剂；氧化性气体管道（5）中通入氧气，燃料气体管道（6）中通入碳氢化合物气体；碳氢化合物气体通过燃气进气管（11）进入管状固体氧化物燃料电池单体内，燃气进气管（11）的材质中含有催化剂镍或铁，碳氢化合物气体在发电区（3）的管状固体氧化物燃料电池单体内进行重整；生成的氢气和一氧化碳在发电区（3）与氧化性气体管道（5）中通入的氧气进行发电。
2.如权利要求1所述的一种管状固体氧化物燃料电池堆，其特征在于，所述气体管道固定及气体隔离板（8）上设有通孔将燃料气体和氧化气体预热区（1）和阴极和阳极引线区（2）连通。
3.如权利要求1所述的一种管状固体氧化物燃料电池堆，其特征在于，所述燃气进气管（11）为金属管、金属陶瓷管或陶瓷管。
4.如权利要求1所述的一种管状固体氧化物燃料电池堆，其特征在于，所述管状固体氧化物燃料电池单体包括金属陶瓷支撑管（12），金属陶瓷支撑管（12）上面设有一层陶瓷绝缘层（13），陶瓷绝缘层（13）之上分布着互相串联的多个单电池元，各个单电池元通过连接极（17）彼此串联。
5.如权利要求1所述的一种管状固体氧化物燃料电池堆，其特征在于，所述管状固体氧化物燃料电池单体包括金属陶瓷支撑管（18），金属陶瓷支撑管（18）上依次设有阳极（19）、电解质（20）、阴极（21）和阴极汇流极（22）。
6.如权利要求1所述的一种管状固体氧化物燃料电池堆的预热方法，其特征在于，包括：
1）电池堆开始工作前，采用电加热或者高温气体预热方法将电池堆预热到工作温度；高温气体预热方法为：将惰性预热气体从电池堆氧化性气体管道（5）和燃料气体管道（6）通入到电池堆内部，待电池堆温度升高至工作温度，然后燃料气体管道（6）转换成燃料气体，氧化性气体管道（5）转换成氧化性气体，电池堆开始发电；
2）电池堆开始工作后，管状固体氧化物燃料电池单体排出的高温还原性气体进入燃料和氧化性气体预热区（1）和阴极和阳极引线区（2），对氧化性气体管道（5）中的氧化性气体和燃料气体管道（6）内的燃气进行预热。
7.如权利要求6所述的预热方法，其特征在于，将发电区（3）中排放出的多余高温氧化性气体引入燃料气体和氧化气体预热区（1）中，使氧化性气体和氧化气体预热区（1）中的燃料气体燃烧进一步提高燃料和氧化性气体预热区（1）的温度。
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