CN109904491A - 一种基于辣椒秸秆衍生燃料的微管式直接碳固体氧化物燃料电池组 - Google Patents

一种基于辣椒秸秆衍生燃料的微管式直接碳固体氧化物燃料电池组 Download PDF

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王宜尚
于方永
王志强
邵高燕
李浩杰
逯力成
张文敏
李娜
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Abstract

本发明公布了一种基于辣椒秸秆衍生燃料的微管式直接碳固体氧化物燃料电池组，由微管式固体氧化物燃料电池单体、辣椒秸秆衍生燃料、反应室、保温层、不锈钢网、热电偶和点火器组成。本发明在微管式固体氧化物燃料电池单体的基础上，进行单体电池集成，使微管式直接碳固体氧化物燃料电池组具有单室固体氧化物燃料电池的特征，但阴、阳极无需密封，只做简单隔离，节约了密封成本，同时提高了电池性能；本发明有效地实现了在无外热源的情况下，利用辣椒秸秆衍生燃料燃烧产生的热量自维持电池工作所需的高温，保证了电池的顺利启动和工作；本发明采用的辣椒秸秆衍生燃料，是通过对辣椒秸秆进行简单的碳化得到，价格低廉、储量丰富且能量密度大，可直接燃烧获得热能，实现热电联产，具有绿色环保、能源转化效率高等优点。

Description

一种基于辣椒秸秆衍生燃料的微管式直接碳固体氧化物燃料 电池组
技术领域
本发明涉及直接使用辣椒秸秆衍生燃料的微管式固体氧化物燃料电池，具体涉及一种基于辣椒秸秆衍生燃料的微管式直接碳固体氧化物燃料电池组。
背景技术
农林废弃物的开发利用是我国科学技术发展规划中优先鼓励发展的主题，利用农林废弃物开发新型生物材料和紧缺资源替代物的研究日益受到重视。随着经济的高速发展，能源和资源供应日益紧张，已成为限制我国社会可持续发展的突出问题。为了保护人类赖以生存的自然环境，保护森林资源，有必要充分挖掘农林废弃物的潜在价值，变废为宝，开发多元化产品。我国是辣椒生产和消费大国，辣椒秸秆是辣椒收益过后的废物，每年辣椒秸秆的产量高达500万吨，但大部分被当作废弃物处理，其潜在价值被完全忽视，造成资源的严重浪费。
辣椒秸秆资源的综合利用属于典型的低碳经济。随着相关领域的发展，国内外采用生物技术和化学技术对辣椒秸秆综合开发利用进行了多领域研究，例如应用于燃料电池，实现可持续能源的高效利用。辣椒秸秆用于燃料电池的开发利用，体现了农业生产系统中废弃物的高效转化，是循环农业和低碳经济的重要体现，也是取之自然、用之自然的良性循环，响应了国家可持续发展的号召。
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，一般由传导氧离子的致密电解质和分别对燃料和氧化剂有电催化作用的多孔阳极和阴极组成，具有燃料使用范围广、易推广且运行费用低等优点。目前，氢气是SOFC使用最普遍的燃料，但氢气是一种二次能源，不能从自然界中直接获得，成本高、体积能量密度低、储存运输安全性差等问题。但是，碳燃料不存在上述问题，其被认为是可以替代氢气的安全性燃料，尤其是运用于高温燃料电池。与氢气相比，碳的能量密度高、价格低廉、来源广泛，而且没有储存和运输的安全问题。因此，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的结构非常简单，其核心部件是由具有较高氧离子导电率的陶瓷电解质、钙钛矿氧化物阴极和金属陶瓷阳极构成的SOFC，碳燃料置于阳极室，通过向阴极提供氧气，氧分子在阴极的电催化作用下转变成氧离子O2-，氧离子通过电解质传递到阳极，与扩散到阳极的CO反应生成CO2并给出电子，即电化学氧化反应
CO+O2-=CO2+2e-
这些CO2扩散到碳燃料表面，与其发生Boudouard反应
CO2+C=2CO
生成的CO扩散到阳极，通过电化学氧化反应产生电流。如此反复循环，就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(8935 mAh g-1)是典型的锂离子电池中碳负极材料理论容量（372 mAh g-1）的24倍，可望将DC-SOFC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。
基于以上原因，本发明设计了一种基于辣椒秸秆衍生燃料的微管式直接碳固体氧化物燃料电池组。
发明内容
本发明的目的在于将储量丰富且能量密度大的辣椒秸秆与微管式固体氧化物燃料电池结合起来，提供一种基于辣椒秸秆衍生燃料的微管式直接碳固体氧化物燃料电池组。利用辣椒秸秆衍生燃料燃烧自维持电池组工作所需的燃料和高温，提高电池发电效率的同时实现生物质资源的高效清洁利用，提供一种适用于小型应用的DC-SOFC电源。
其技术方案是：每个微管式固体氧化物燃料电池单体的下端嵌入30目不锈钢网中，上端嵌入12目不锈钢网中，30目不锈钢网放在底部带支撑环的反应室内，在反应室上方添加辣椒秸秆衍生燃料，通过12目不锈钢网落入底部30目不锈钢网上，辣椒秸秆衍生燃料中部安装有热电偶，在反应室下方设有点火器，外部设有保温层。
维持工作所需的燃料是通过对辣椒秸秆进行简单处理得到的碳燃料，价格低廉、来源广泛、能量密度高。微管式固体氧化物燃料电池单体置于辣椒秸秆衍生燃料中，其储量不受电池单体内径的限制，只取决于反应室的大小，因此可以最大限度的提高碳燃料量，从而提高电池稳定运行时间。同时，将碳燃料燃烧产生的热量充分利用起来，提供电池组工作所需的高温，提高系统的发电效率，实现自维持。在电池正常工作时，可通过装置的顶部连续不断的向反应室内添加辣椒秸秆衍生燃料，充分保证电池所需燃料，实现电池的连续性运行。
本发明的有益效果是：（1）本发明将储量丰富且能量密度大的辣椒秸秆与微管式固体氧化物燃料电池组结合起来，利用辣椒秸秆衍生燃料燃烧自维持电池组工作所需的燃料和高温，提高电池发电效率的同时实现生物质资源的高效清洁利用，提供一种适用于小型应用的DC-SOFC电源。（2）将DC-SOFC的冗余热能供给和燃料气化的热量需求结合起来，在无任何热源的条件下实现自维持，保证电池的顺利启动和连续性工作，提高系统的发电效率，使燃料电池进入普通家庭成为可能。（3）具有单室固体氧化物燃料电池的特征，但阴、阳极不需密封，只做简单隔离，节约成本。（4）辣椒秸秆衍生燃料的储量不受微管式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，电池性能大大提高。（5）所需的能量全部储存在辣椒秸秆衍生燃料中，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。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是图1中所述微管式固体氧化物燃料电池单体集成安装图。
图3是本发明内部结构示意图。
具体实施方式
按照图3所示，将多根微管式固体氧化物燃料电池单体（3）用银丝（10）进行并联并检查其绝缘情况。
按照图2所示，微管式固体氧化物燃料电池单体（3）上、下两端分别嵌入12目不锈钢网（5）和30目不锈钢网（4）中，并用银浆加以固定。将组装好的微管式固体氧化物燃料电池组放入反应室（2），30目不锈钢网（4）放在反应室（2）底部的支撑环（9）上。在电池组上方添加辣椒秸秆衍生燃料（6），通过12目不锈钢网（5）落入反应室（2）中，反应室（2）底部由不锈钢网（4）支撑，确保辣椒秸秆衍生燃料（6）与微管式固体氧化物燃料电池单体（3）外侧的紧密接触，并在反应室（2）上方盖上一层保温棉。使用点火器（8）从反应室（2）底部点火，保证辣椒秸秆衍生燃料（6）能够正常燃烧，采用热电偶（7）测量反应室（2）内部温度。
通过温度调整反应室（2）上方保温棉的透气程度，如果温度低于800 °C则增加保温棉用量，如果温度高于900 °C，则减小保温棉用量，保证系统在无外加热源的情况下能够自维持工作温度。
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，使直接碳微管式固体氧化物燃料电池组开始工作。根据反应室（2）中辣椒秸秆衍生燃料（6）的消耗程度适时补充，保证电池组的持续稳定运行。

Claims (6)

1.一种基于辣椒秸秆衍生燃料的微管式直接碳固体氧化物燃料电池组，其特征在于，该电池组包括保温层（1），反应室（2），微管式固体氧化物燃料电池单体（3），30目不锈钢网（4），12目不锈钢网（5），辣椒秸秆衍生燃料（6），热电偶（7），点火器（8），支撑环（9），银丝（10）；保温层（1）采用陶瓷棉材料，反应室（2）由耐高温石英管构成，点火器（8）为常用的打火机或火柴。
2.根据权利要求1中所述的一种基于辣椒秸秆衍生燃料的微管式固体氧化物燃料电池组，其特征在于，由多根微管式固体氧化物燃料电池单体（3）组成，每个电池单体均采用电解质支撑，阳极在管外侧，阴极在管内侧，通过不锈钢网的连接，组装得到微管式直接碳固体氧化物燃料电池组。
3.根据权利要求1所述的一种基于辣椒秸秆衍生燃料的微管式固体氧化物燃料电池组，其特征在于，每个微管式固体氧化物燃料电池单体（3）的下端嵌入30目不锈钢网（4）中，上端嵌入12目不锈钢网（5）中，30目不锈钢网（4）放在底部带支撑环（9）的反应室（2）内，在反应室（2）上方添加辣椒秸秆衍生燃料（6），通过12目不锈钢网（5）落入到底部的30目不锈钢网（4）上，辣椒秸秆衍生燃料（6）中部安装有热电偶（7），在反应室（2）下方设有点火器（8），外部设有保温层（1）。
4.根据权利要求1所述的一种基于辣椒秸秆衍生燃料的微管式固体氧化物燃料电池组，其特征在于，微管式固体氧化物燃料电池单体（3）置于辣椒秸秆衍生燃料（6）中，使辣椒秸秆衍生燃料（6）的储量不受微管式固体氧化物燃料电池单体（3）内径的限制，只取决于反应室（2）的大小，通过保温层（1）将辣椒秸秆衍生燃料（6）燃烧产生的热量充分利用起来维持电池工作所需的高温，实现热电联产。
5.根据权利要求1所述的一种基于辣椒秸秆衍生燃料的微管式固体氧化物燃料电池组，其特征在于，所述的辣椒秸秆衍生燃料（6）是通过对生物质进行简单处理得到，能量密度高、储量丰富、价格低廉，符合国家提倡的农林废物利用政策。
6.根据权利要求1所述的一种基于辣椒秸秆衍生燃料的微管式固体氧化物燃料电池组，其特征在于，在电池正常工作时，通过电池组的顶部可以连续不断的向反应室（2）内添加辣椒秸秆衍生燃料（6），充分保证电池所需燃料，实现电池的连续性运行。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN109768301A (zh) * 2019-02-28 2019-05-17 山东理工大学 一种基于大豆秸秆衍生燃料的微管式直接碳固体氧化物燃料电池组

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
陈文照: "氮/硫掺杂多孔碳超级电容器电极材料制备及其应用研究", 《中国优秀博硕士学位论文全文数据库(硕士) 工程科技Ⅱ辑》 *

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