CN103078128A - 一种直接碳固体氧化物燃料电池堆 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直接碳固体氧化物燃料电池堆，涉及燃料电池系统集成及应用领域。该电池堆有一保温炉，保温炉内设有气体重整腔，气体重整腔内安装有碳粉，气体重整腔的上下分别安装碳粉载料装置和灰粉卸载装置，气体重整腔的上方设有高温脱硫器，气体重整腔的底端连接一空气进气管，空气进气管上连接一蒸汽进气管，在气体重整腔的两侧安装有多个阳极支撑管式固体氧化物燃料电池，在气体重整腔的一侧安装有电池工作进气管；阳极支撑管式固体氧化物燃料电池的燃料进气管与高温脱硫器连接，气体经脱硫后进入燃料进气管，蒸汽进气管和电池工作进气管的上端均设有保温层，保温炉上安装热电偶。优点：系统效率非常高，部件简化，设计紧凑，低成本。

Description

一种直接碳固体氧化物燃料电池堆

技术领域

本发明涉及燃料电池系统集成及应用领域，具体是一种直接碳固体氧化物燃料电池堆。

背景技术

燃料电池是一种新型能源技术，具有高效、清洁、安全可靠等特征。固体氧化物燃料电池(SOFC)除了具有一般燃料电池的共同优点外，其效率更高，且为全固态结构，具有便于监管、长期稳定性好的特点。SOFC模块化的设计还使其可以满足从小型便携式电源到大型发电设备的各种应用需求。SOFC的优点之一是具备燃料普适性，能够使用各种各样的燃料，容易推广且运行费用低。在各种燃料中煤炭和生物质碳来源广泛，易得而成本低，是极具魅力的一种燃料。煤炭现阶段大量用于火力发电，但是传统的火力发电技术效率较低，大量排放温室气体和酸性气体，对环境造成了极大的污染。生物质能目前由于收集成本高，在目前中国农村还未引起重视，甚至在田间地头直接燃烧废弃，造成空气污染和能源浪费。因此，将煤炭和生物质碳用于SOFC发电是科学家多年的梦想，也是今后技术发展的大势所趋。由于固体碳不易扩散到SOFC的三相界面，因此直接使用时功率密度低，从而需要将其重整为气体，以便于燃料分子的扩散。固体碳在重整过程中需要吸收热量，以便于利用水蒸汽实现碳的气化重整。水蒸气重整的速度相对容易控制，且能量效率较高。另一方面，SOFC在发电的过程中会释放大量的废热，其一方面来源于反应过程中的熵变化，另一方面来源于放电过程中的阻抗和极化等不可逆损耗，第三方面来源于发电尾气中的残余燃料。SOFC的废热如果直接排掉则会造成极大的浪费。热电联供方式虽然是解决问题的一种办法，但是其市场规模相对较小，且多为分散式应用。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明提供一种直接碳固体氧化物燃料电池堆，将SOFC的冗余热能供给和碳燃料气化的热量需求结合起来，大大提高系统的发电效率。

本发明是以如下技术方案实现的：一种直接碳固体氧化物燃料电池堆，包括保温炉，保温炉内设有气体重整腔，气体重整腔内放置有碳粉，气体重整腔的两端分别安装碳粉载料装置和碳粉卸料装置，气体重整腔的上方设有高温脱硫器，气体重整腔的底端连接一空气进气管，空气进气管上连接一蒸汽进气管，在气体重整腔的两侧安装有多个阳极支撑管式固体氧化物燃料电池，在气体重整腔的一侧安装有电池工作进气管；阳极支撑管式固体氧化物燃料电池的燃料进气管与高温脱硫器连接，气体经脱硫后进入燃料进气管，蒸汽进气管和电池工作进气管的上端均设有保温层，保温炉上安装一用于检测电池工作温度的热电偶。

本发明的有益效果是：

1、将碳气化反应与SOFC发电集成在一起，从而使SOFC的废热得到有效的利用，能够帮助碳和水蒸气进行重整反应，实现了SOFC发电堆与碳气化炉的联动，能量转化效率极高。

2、相对于低温脱硫而言，利用高温脱硫技术，避免了脱硫过程的能量消耗以及脱硫后升温的过程，系统效率高。

3、系统紧凑，制造成本低。

4、SOFC电堆采用管式结构，尾气在一端直接燃烧利用，避免了尾气燃烧器的空间和设备成本，同时提高了其能量效率。

5、SOFC管式电池之间容易实现自由的串并联，对于电堆的功率没有限制；

6、由于各个电池相对独立，在空气中连接，因此便于检修，当某个电池出现故障时可以非常方便地更换，系统寿命长而且便于维护。

7、高温脱硫器容易更换、再生；当配置多个高温脱硫器后，系统可实现连续运行。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

   图1是本发明俯视结构示意图；

  图2是本发明主视结构示意图；

图3是碳粉载料装置结构示意图；

图4是灰粉卸载装置结构示意图；

   图5是阳极支撑管式固体氧化物燃料电池结构示意图。

如图1和图2所示，一种直接碳固体氧化物燃料电池堆有一保温炉5，保温炉5内设有气体重整腔2，气体重整腔2内放置有碳粉4，气体重整腔2的两端分别安装碳粉载料装置11和灰粉卸载装置12，气体重整腔2的上方设有高温脱硫器1，气体重整腔2的底端连接一空气进气管8，空气进气管8上连接一蒸汽进气管9，在气体重整腔2的两侧安装有多个阳极支撑管式固体氧化物燃料电池7，在气体重整腔2的一侧安装有电池工作进气管3；阳极支撑管式固体氧化物燃料电池7的燃料进气管与高温脱硫器1连接，气体经脱硫后进入燃料进气管，蒸汽进气管9和电池工作进气管3的上端均设有保温层10，保温炉5上安装一用于检测电池工作温度的热电偶6。

如图2所示，碳粉采用流动性好经过造粒的球形碳粒，可自上部加入自下部排出灰分，也可以自前面加入，自后面排出灰分，因此可以实现发电装置的连续运行。本实施例中，煤球自前面上部进入，灰粉自后面下部排除，可以实现连续进料，进行长时间的连续发电。碳粉可以有多种，比如煤炭、生物质炭化碳，其造粒过程中可以加入各种催化剂，如CaO、NaOH、KOH、Na₂CO₃、K₂ CO₃。

如图5所示，阳极支撑管式固体氧化物燃料电池7有一电池本体7-3，电池本体7-3的两端均开口，电池本体7-3的一端安装有金属连接体封头7-1，金属连接体封头7-1与电池本体7-3之间的间隙之间用密封浆料填充；在电池本体7-3的外部管壁中部设有阴极收电体7-4，内部管壁四周以及金属连接体封头7-1内设有阳极收电体7-2，阳极收电体7-2之间形成燃料腔，燃料腔内安装一燃料进气管7-5。

采用阳极支撑型管式SOFC，方便发电尾气的就地燃烧，使燃烧后的废热能够得到有效的利用。其组装方式为利用了一根燃料进气管，将燃料气导入到SOFC管子的底部，燃料气从底部折返向外扩散时发电。燃料进气管可以是陶瓷管，也可以是耐热合金管。在SOFC的封闭端设置有金属连接体可以将SOFC阳极的电流导出，并与相邻电池的阴极相连，实现高度自由的串并联。

整个系统置于保温炉中，系统启动时保温炉可以电加热升温，到达指定温度后系统运行；当SOFC运行时自身发热，尾气燃烧也产生热能，这些热能如能保温则电加热可以停止，而是否能保温取决于系统功率和保温效果。碳粉的重整采用水蒸汽与底部空气的混合气体进行，可调整系统温度，电池工作进气管3通入的空气为燃料电池发电时阴极所用的空气。

本实施例中，高温脱硫器1包括一筒体1-3和气体收集腔1-2，筒体1-3安装在气体收集腔1-2中，气体收集腔1-2中的筒体1-3上设有出气孔，筒体1-3内装有脱硫剂1-1；筒体的底端采用多孔底板；阳极支撑管式固体氧化物燃料电池的燃料进气管与气体收集腔1-2连接。脱硫剂选用氧化锌、氧化铁、氧化锰、氧化铈中的一种或几种的复合物。系统配备多个高温脱硫器，当脱硫剂饱和后可以随时更换，更换后应注意气体的密封效果，为了保证气体不泄露，可适当延长顶部长度，或采用风冷使密封部位处于较低温度，以方便密封材料的选择（比如高分子材料）。

气体收集腔1-2相当于气体重整腔的顶盖，用焊接固定并保证不漏气。筒体1-3与气体收集腔1-2之间采用螺口连接，方面拆卸和更换，这样当脱硫剂吸收饱和之后，能够快速更换，并进行脱硫剂的再生。高温脱硫器中的脱硫剂采用多孔的底板支撑，装置应允许脱硫剂的更换或再生。气化后的含硫合成气在上升过程中经过多孔板进入高温脱硫器，与脱硫剂接触后被逐渐吸收，可以在高温下脱除气体中的硫化氢，到达顶部之后已经基本不含硫，从而得到适宜于SOFC发电的燃料气体。之后再经过气体分配器分配后向下进入到各个SOFC单电池中发电。发电剩余的尾气在电池出口附近燃烧，产生热能。该热能中小部分被气体重整腔吸收，而大部分则用于预热重整反应的水蒸汽和空气。预热后的水蒸汽和空气进入气体重整腔时将所携带的热能（显热）带进空腔，最终用于重整反应。

如图3所示，碳粉载料装置11包括一门板11-1和推手11-2，门板11-1和推手11-2之间通过推杆连接，门板11-1和推手11-2的上下方分别活动安装顶盖11-3和底板11-4；在气体重整腔2的腔壁上横向安装有导轨13，门板11-1安装在导轨上。

球状的碳粉预先装于载运的料斗中，其顶盖11-3可以取走，而底板11-4是活动的可以横向抽出。保持顶盖盖上、底板关闭状态用力将料斗推入气化空间之后，抽出底板，碳球自底部漏下。卸完之后关闭底板11-4，缓缓抽出料斗，料斗的门被内部压强压死，保持不漏气。抽出的料斗顶盖取下，以便重新装料。料斗的门安装在导轨上，以方便定位。

如图4所示，灰粉卸载装置12包括一螺旋推杆12-1和挡板12-2；螺旋推杆12-1穿过气体重整腔2的腔壁安装在气体重整腔2的底部，气体重整腔2的底板一侧设有与螺旋推杆相配合的长孔14，气体重整腔2的底板长孔下方设有储料盒15；活动挡板12-2活动安装在储料盒15底面。

采用螺旋推杆12-1移动灰分，经螺旋推杆12-1和挡板12-2两次排放移门实现系统内的保压，防止气体大量溢出。

具体操作步骤如下

1.    按照图示方式组装好电堆，事先将多个阳极支撑管式固体氧化物燃料电池进行串并联并检查其绝缘情况；多个阳极支撑管式固体氧化物燃料电池的串并联可以使用银丝，也可以使用Ni-Cr合金丝和陶瓷连接件。

2.    装上碳粉、高温脱硫器、封闭进碳和出灰的阀门，在室温下通入空气或氮气，检查气体流动是否正常，堵住气体泄漏点；堵漏材料需充分考虑系统运行时的局部温度。

3.    在确认气体流路正常的情况下，通入氮气，排除燃料通路中的空气，然后加热系统。

4.    待气体重整腔内温度达到要求之后，通入水蒸汽和空气，实现重整和燃料电池阳极的还原，其中水蒸汽和空气的比例调整为系统在无电加热的情况下能够维持工作温度。

5.    当电堆开路电压达到预定值并稳定一段时间（可优化）后，接入负载，使系统工作。由于电堆工作时电池发热，系统温度有升温趋势，此时调整水蒸汽和空气的比例，使系统温度趋于稳定，进入稳态运行。

6.    估计系统内碳燃料的消耗，适时补充新碳粉并适时排灰。适时检测重整燃料气中的硫含量。当其接近控制上限时更换脱硫剂。

7.    脱硫剂经外部再生处理，循环利用。

8.    停车时启动系统电加热保温，使系统温度按照预定模式降温，保护电池堆不受快速热冲击和氧化还原循环的影响。

将碳气化反应与SOFC发电集成在一起，从而使SOFC的废热得到有效的利用，能够帮助碳和水蒸气进行重整反应，从而变成燃料气体的化学能。该系统除了核心的气化室，SOFC电堆外，还配备高温脱硫器，可以将气化反应后的高温燃料直接进行脱硫。相对于低温脱硫而言，该设计由于避免了燃料气的降温，以及脱硫后升温的过程，系统效率非常高。同时部件简化，设计紧凑，具有低成本的特点。

Claims (5)

1.一种直接碳固体氧化物燃料电池堆，其特征在于：包括保温炉（5），保温炉（5）内设有气体重整腔（2），气体重整腔（2）内安装有碳粉（4），气体重整腔（2）的上端安装一碳粉载料装置（11），下端安装一碳粉卸料装置（12），气体重整腔（2）的上方设有高温脱硫器（1），气体重整腔（2）的底端连接一空气进气管（8），空气进气管（8）上连接一蒸汽进气管（9），在气体重整腔（2）的两侧安装有多个阳极支撑管式固体氧化物燃料电池（7），在气体重整腔（2）的一侧安装有电池工作进气管（3）；阳极支撑管式固体氧化物燃料电池（7）的燃料进气管与高温脱硫器（1）连接，气体经脱硫后进入燃料进气管，蒸汽进气管（9）和电池工作进气管（3）的上端均设有保温层（10），保温炉（5）上安装一用于检测电池工作温度的热电偶（6）。

2.根据权利要求1所述的一种直接碳固体氧化物燃料电池堆，其特征在于：所述的高温脱硫器（1）包括一筒体（1-3）和气体收集腔（1-2），筒体（1-3）安装在气体收集腔（1-2）中，气体收集腔（1-2）中的筒体（1-3）上设有出气孔，筒体（1-3）内装有脱硫剂（1-1）；筒体的底端采用多孔底板；阳极支撑管式固体氧化物燃料电池的燃料进气管与气体收集腔（1-2）连接。

3.根据权利要求1所述的一种直接碳固体氧化物燃料电池堆，其特征在于：所述的碳粉载料装置（11）包括一门板（11-1）和推手（11-2），门板（11-1）和推手（11-2）之间通过推杆连接，门板（11-1）和推手（11-2）的上下方分别活动安装顶盖（11-3）和底板（11-4）；在气体重整腔（2）的上部腔壁上横向安装有导轨（13），门板（11-1）安装在导轨上。

4.根据权利要求1所述的一种直接碳固体氧化物燃料电池堆，其特征在于：所述的灰粉卸载装置（12）包括一螺旋推杆（12-1）和挡板（12-2），螺旋推杆（12-1）穿过气体重整腔（2）的腔壁安装在气体重整腔（2）的底部，气体重整腔（2）的底板一侧设有与螺旋推杆相配合的长孔（14），气体重整腔（2）的底板长孔下方设有储料盒（15），活动挡板（12-2）活动安装在储料盒（15）底面。

5.根据权利要求1-4任一项所述的一种直接碳固体氧化物燃料电池堆，其特征在于：所述的阳极支撑管式固体氧化物燃料电池（7）有一电池本体（7-3），电池本体（7-3）的两端均开口，电池本体（7-3）的一端安装有金属连接体封头（7-1），金属连接体封头（7-1）与电池本体（7-3）之间的间隙之间用密封浆料填充；在电池本体（7-3）的外部管壁中部设有阴极收电体（7-4），内部管壁四周以及金属连接体封头（7-1）内设有阳极收电体（7-2），阳极收电体（7-2）之间形成燃料腔，燃料腔内安装一燃料进气管（7-5）。

Images