CN109193007A - 便携式直接碳固体氧化物燃料电池发电装置 - Google Patents

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唐慧芹
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Abstract

本发明涉及固体氧化物燃料电池技术领域，具体涉及一种便携式直接碳固体氧化物燃料电池发电装置，包括反应容器，反应容器的内部设置多组固体氧化物燃料电池单体，反应容器的上端开有进料口，进料口上扣装进料口盖，反应容器的外侧间隔缠绕导热管和加热元件，反应容器的顶部设置导气管，导气管接入到燃烧室，燃烧室内部燃烧产生的热量通过出气管接入到导热管内；本发明将能量密度大的碳与固体氧化物燃料电池组结合起来，避免碳直接燃烧造成的能源浪费和环境污染，不仅起到保护生态环境的作用，同时大大提高了系统的发电效率，因此能够提供一种特别适合于小型应用的新型电源。

Description

便携式直接碳固体氧化物燃料电池发电装置
技术领域
本发明涉及固体氧化物燃料电池技术领域，具体涉及一种便携式直接碳固体氧化物燃料电池发电装置。
背景技术
固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种高效清洁的电化学发电装置，由一层致密电解质和两层多孔电极(阳极和阴极)组成，具有全固态、燃料选择性广和能量转化率高等优点。目前，氢气是SOFC使用最普遍的燃料，但氢气是一种二次能源，无法从自然界中直接获得，成本高、能量密度低、储存和运输安全性差。相反，固体碳燃料不存在上述问题，被认为是可以替代氢气的安全性燃料，尤其是应用于高温燃料电池。与氢气相比，碳的能量密度高、价格低廉、来源广泛且安全性高。因此，直接使用固体碳燃料的直接碳固体氧化物燃料电池(DC-SOFC)受到了越来越多的重视。
DC-SOFC核心部件是由陶瓷电解质、钙钛矿氧化物阴极和金属陶瓷阳极构成的SOFC，碳燃料置于SOFC阳极室，通过向阴极提供氧气，氧分子在阴极的催化作用下生成氧离子O2-，氧离子通过电解质的传递到达阳极，与扩散至阳极的CO反应生成CO2并给出电子，即电化学氧化反应
CO+O2-＝CO2+2e- (1)
产生的CO2扩散到碳燃料表面，与其发生Boudouard反应产生更多的CO，
CO2+C＝2CO (2)
生成的CO再扩散到阳极，通过电化学氧化反应产生电流。如此反复循环，实现了电化学方式消耗固体碳燃料而发电的目的。
DC-SOFC除具有SOFC的优点外，还有动力学过程快、燃料利用率高、全固态结构等独特优势，具有广阔的应用前景。首先，它是一种潜在的高效洁净煤和生物质发电技术，而且其发电过程不需要水；其次，DC-SOFC中碳燃料的理论最大容量(8935mAh g-1)是典型的锂离子电池中碳负极材料理论容量(372mAh g-1)的24倍，有望将其开发成一种高性能、低成本的蓄电池；最后，DC-SOFC的开发有望促进我国稀土产业发展，并带动新型材料产业的形成和传统陶瓷产业的升级换代。因此，亟需开发一种燃料利用率和系统发电效率高的便携式DC-SOFC发电装置。
发明内容
为了实现上述目标，本发明的目的在于：提供一种便携式直接碳固体氧化物燃料电池发电装置，将能量密度大的固体碳燃料与固体氧化物燃料电池组结合起来，利用系统生成的CO燃烧产生的热量来维持电池工作所需高温，不仅能够保护生态环境，同时大大提高了燃料利用率和系统发电效率。
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案为：
所述便携式直接碳固体氧化物燃料电池发电装置，包括反应容器，反应容器的内部设置多组固体氧化物燃料电池单体，反应容器的上端开有进料口，进料口上扣装进料口盖，反应容器的外侧间隔缠绕导热管和加热元件，反应容器的顶部设置导气管，导气管接入到燃烧室，燃烧室内部燃烧产生的热量通过出气管接入到导热管内。
在电池启动时，装置首先通过缠绕在反应容器外部的加热元件加热达到预定的工作温度，待电池组启动完成后，关闭加热元件，通过将燃烧室内CO燃烧产生的热量输送到导热管内，维持系统工作温度，实现自维持。
优选的，固体氧化物燃料电池单体包括电解质支撑体，电解质支撑体的内侧浸渍阴极，电解质支撑体的外侧涂覆阳极。
优选的，反应室的两侧设置密封板，固体氧化物燃料电池单体的左右两端分别嵌入密封板中，每个电池单体与密封板连接处采用银胶进行密封。
优选的，反应容器采用氧化铝材料制备，外侧套装保温层，固体氧化物燃料电池单体置于密闭的反应容器中，碳燃料的储量不受固体氧化物燃料电池单体内径的限制，只取决于反应容器的大小，通过保温层将燃烧室内CO燃烧产生的热量充分利用起来，提高燃料利用率和系统发电效率。
优选的，进料口的外壁上设置绝缘层。
优选的，导气管采用陶瓷管或石英管。
优选的，保温层材料采用高温陶瓷棉。
优选的，加热元件采用电热丝。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明将能量密度大的碳与固体氧化物燃料电池组结合起来，避免碳直接燃烧造成的能源浪费和环境污染，不仅能够保护生态环境，同时大大提高了系统发电效率，因此能够提供一种特别适合于小型应用的新型电源。
(2)将DC-SOFC工作时产生的CO充分利用起来，通过其在燃烧室燃烧提供电池反应需要的热量，实现自维持，使得燃料的综合利用率得到提高，同时避免有毒气体的排放。
(3)具有单室固体氧化物燃料电池的特征，而且电池阴极两端均为开口的设计，有利于空气(氧化剂气)的自动流通，简化了电池系统结构，节约成本。
(4)SOFC阳极位于电池外侧，因而碳燃料的使用量不受固体氧化物燃料电池组内径的限制，只取决于反应室的大小，能够制成长寿命的电源。
(5)所需的能量全部储存在碳燃料中，燃料不足时只需通过反应室顶部进行补充，实现电池组的持续稳定运行。
(6)本发明设计的直接碳固体氧化物燃料电池发电装置，可通过调整单电池的大小控制电压输出、通过调整单电池的数目控制电流输出、通过调整燃料容器的体积和添加的碳燃料量来控制电池的工作时间等，设计灵活，制作方便。
附图说明
图1本发明结构示意图；
图2本发明固体氧化物燃料电池单体集成安装图；
图3本发明固体氧化物燃料电池单体结构剖视图。
图中：1、绝缘层；2、进料口盖；3、进料口；4、加热元件；5、导热管；6、导气管；7、燃烧室；8、密封板；9、电池密封处；10、保温层；11、固体氧化物燃料电池单体；12、反应容器；13、碳燃料；14、密封板与反应容器密封处；15、阳极；16、电解质支撑体；17、阴极。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例做进一步描述：
实施例1
如图1-3所示，本发明所述便携式直接碳固体氧化物燃料电池发电装置，包括反应容器12，反应容器12的内部设置多组固体氧化物燃料电池单体11和碳燃料13，反应容器12的两侧设置密封板8，固体氧化物燃料电池单体11的左右两端分别嵌入密封板8中，密封板与反应容器密封处14和电池密封处9均采用银胶密封，反应容器12的上端开有进料口3，进料口3上扣装进料口盖2，进料口3的外壁上设置绝缘层1，通过进料口3将碳燃料13注入到反应容器12内，反应容器12的外侧间隔缠绕导热管5和加热元件4，反应容器12的顶部设置导气管6，导气管6采用陶瓷管或石英管，导气管6接入到燃烧室7，用于将电池反应产生的CO输送到燃烧室7，燃烧室7内CO燃烧产生的热量通过出气管接入到导热管5内，热量通过导热管5传输到反应容器12来维持系统工作温度。燃烧室7采用已有技术进行设计和制造，结构中包括担载促进CO氧化反应的催化剂的多孔陶瓷，CO在多孔陶瓷中扩散并完全燃烧。
其中，固体氧化物燃料电池单体11包括电解质支撑体16，电解质支撑体16的内侧浸渍阴极17，电解质支撑体16的外侧涂覆阳极15。
另外，反应容器12采用氧化铝材料制备，外侧套装保温层10，保温层10材料采用高温陶瓷棉，固体氧化物燃料电池单体11置于密闭的反应容器12中，使碳燃料13的储量不受固体氧化物燃料电池单体11内径的限制，只取决于反应容器12的大小，通过保温层10将燃烧室7内CO燃烧产生的热量充分利用起来，提高燃料利用率。
在电池启动时，装置首先通过缠绕在反应容器12外部的加热元件4加热达到预定的工作温度，待电池组启动完成后，关闭加热元件4，通过将燃烧室7内CO燃烧产生的热量输送到导热管5内，维持系统工作温度，实现自维持。
当电池组的开路电压达到预定值并稳定一段时间后，接入负载，使直接碳固体氧化物燃料电池组开始工作。根据反应容器12中碳燃料13的消耗程度，在进料口3适时补充碳燃料13，保证电池组的持续稳定运行。

Claims (8)

1.一种便携式直接碳固体氧化物燃料电池发电装置，包括反应容器(12)，反应容器(12)的内部设置多组固体氧化物燃料电池单体(11)，反应容器(12)的上端开有进料口(3)，进料口(3)上扣装进料口盖(2)，其特征在于，反应容器(12)的外侧间隔缠绕导热管(5)和加热元件(4)，反应容器(12)的顶部设置导气管(6)，导气管(6)接入到燃烧室(7)，燃烧室(7)内部燃烧产生的热量通过出气管接入到导热管(5)内。
2.根据权利要求1所述的便携式直接碳固体氧化物燃料电池发电装置，其特征在于，固体氧化物燃料电池单体(11)包括电解质支撑体(16)，电解质支撑体(16)的内侧浸渍阴极(17)，电解质支撑体(16)的外侧涂覆阳极(15)。
3.根据权利要求1或2所述的便携式直接碳固体氧化物燃料电池发电装置，其特征在于，反应容器(12)的两侧设置密封板(8)，固体氧化物燃料电池单体(11)的左右两端分别嵌入密封板(8)中，每个电池单体与密封板(8)的电池密封处(9)采用银胶进行密封。
4.根据权利要求1所述的便携式直接碳固体氧化物燃料电池发电装置，其特征在于，反应容器(12)采用氧化铝材料制备，外侧套装保温层(10)。
5.根据权利要求1所述的便携式直接碳固体氧化物燃料电池发电装置，其特征在于，进料口(3)的外壁上设置绝缘层(1)。
6.根据权利要求1所述的便携式直接碳固体氧化物燃料电池发电装置，其特征在于，导气管(6)采用陶瓷管或石英管。
7.根据权利要求4所述的便携式直接碳固体氧化物燃料电池发电装置，其特征在于，保温层(10)材料采用高温陶瓷棉。
8.根据权利要求1所述的便携式直接碳固体氧化物燃料电池发电装置，其特征在于，加热元件(4)采用电热丝。
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