CN110854419B - 利用残余燃料的直接火焰燃料电池发电装置及工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用残余燃料的直接火焰燃料电池发电装置及工作方法。本发明所述的一种利用残余燃料的直接火焰燃料电池发电装置，包括直接火焰燃料电池以及至少一个向所述直接火焰燃料电池送入燃料的燃料单元；所述燃料单元由固体氧化燃料电池与所述固体氧化燃料电池的出气口连接的预混装置；所述预混装置将燃料混合后送入直接火焰燃料电池。本发明以至少一个固体氧化物燃料电池配合一个直接火焰燃料电池，能够有效的解决传统固体氧化物燃料电池燃料未充分利用的问题。

Description

利用残余燃料的直接火焰燃料电池发电装置及工作方法
技术领域
本发明属于燃料电池装置，具体涉及一种利用残余燃料的直接火焰燃料电池发电装置及工作方法。
背景技术
直接火焰燃料电池是一种新型的燃料电池构型，其概念由日本神钢电机株式会社的Horiuchi等研究者于2004年首次提出。阳极侧与富燃火焰直接接触以提供燃料和工作所需的温度且同时消耗氧气，阴极侧直接与空气接触，形成了阳极与阴极之间的化学势梯度。直接火焰燃料电池的主要优势在于：1)结构简单，无需密封；2)可实现燃料化学能梯级利用，获得较高热电联产综合效率；3)启动快速。但存在燃料利用率低的缺陷。
固体氧化物燃料电池(SOFC)是在高温下运行，将燃料的化学能清洁高效地转换为电能的全固态化学发电装置。固体氧化物燃料电池的燃料利用率在40％～70％之间，残余的燃料主要排放到空气中，不仅浪费了燃料，也存在安全隐患。
公开号CN106299410A的专利，是一种利用残余燃料自加热的固体氧化物燃料电池发电系统，结合了固体氧化物燃料电池燃料利用率低和工作温度的特点和要求。设计了一种利用残余燃料自加热的固体氧化物燃料电池发电系统，节省了传统加热电炉的电能消耗，提高了固体氧化物燃料电池总的发电效率。公开号CN108695531A的专利，是一种高效燃料电池残余氢回收利用的氢喷射器，根据不同工况来调节喷嘴距，实现不同工况下的最佳回流比，同时，在保证最佳回流比的情况下保证了残余氢气的最高利用效率，大幅度提高了燃料电池的工作效率和经济性。公开号CN106229528A的专利，是一种燃料电池尾气回收利用装置，充分回收利用燃料电池尾气中的残余燃料和热量，有利于提高燃料电池的燃料利用率，节约能源，提高发电效率，降低成本。
发明内容
发明目的：本发明旨在设计一种利用残余燃料的直接火焰燃料电池发电装置。本发明还提供了该发电装置的工作方法。
技术方案：本发明所述的一种利用残余燃料的直接火焰燃料电池发电装置，包括直接火焰燃料电池以及至少一个向所述直接火焰燃料电池送入燃料的燃料单元；
所述燃料单元由固体氧化燃料电池与所述固体氧化燃料电池的出气口连接的预混装置；所述预混装置将燃料混合后送入直接火焰燃料电池。
所述直接火焰燃料电池包括端板、设置于端板下方的平板型固体氧化物燃料单电池、两层阳极侧连接体、设置于两层所述阳极侧连接体之间的富燃燃烧装置、设置于所述富燃燃烧装置下方的阴极侧连接体以及连接阳极侧连接体以及阴极侧连接体的接电柱。
所述预混装置内部分布有用于气体混合的气体通道。
所述预混装置沿着气体流动方向交错排列有第一挡板以及第二挡板，第一挡板距离预混装置顶端具有用于气体通过的空隙，第二挡板距离预混装置底端具有用于气体通过的空隙。
所述固体氧化燃料电池设置有用于燃料送出的第一出口以及用于氧化剂送出的第二出口，所述第一出口以及第二出口位于靠近预混装置的同一侧面；所述预混装置设有多个混合气出口。
所述富燃燃烧装置设置有用于混合气体通入的入气孔以及用于喷火嘴。
所述阳极侧连接体为边框式金属连接体。
所述阴极侧连接体由金属连接体相连组成。
所述发电装置包括直接火焰燃料电池以及设置于所述直接火焰燃料电池两侧的燃料单元成。
本发明所述的一种利用残余燃料的直接火焰燃料电池发电装置的工作方法，包括以下步骤：
(a)燃料和氧化剂以适当的比例通入固体氧化燃料电池中，为被利用的燃料和氧化剂直接通入内含挡板的预混装置内；
(b)预混装置内设置有迂回的气体通道，使得燃料充分混合；
(c)混合后的气体通过预混装置一侧设有的多个混合气出口，经过混合气运输通道通入内置点火装置的富燃燃烧装置中，点火燃烧产生所述燃料电池所需的燃料、产生热量并消耗氧气，直接火焰燃料电池的阴极侧通入空气以产生化学势差，产生电流；
(d)接电柱连接全部的阳极侧连接体和阴极侧连接，收集直接火焰燃料电池的电流。
有益效果：(1)本发明可以充分利用固体氧化物燃料电池未完全利用的燃料，提高燃料的利用率，直接火焰燃料电池产生的热量也为固体氧化燃料电池提供了合适的工作温度，从而减少了固体氧化燃料电池的加热的消耗，提高了固体氧化燃料电池的发电效率；(2)本发明直接火焰燃料电池结构更加紧凑，解决了现有技术中直接火焰燃料电池的空间利用率低，单电池分布比较分散的缺陷。
附图说明
图1为本发明实施例1中的利用残余燃料的直接火焰燃料电池发电装置整体结构图；
图2为本发明的固体氧化物燃料电池电池电堆的整体结构图；
图3为本发明的固体氧化物燃料电池的示意图；
图4为本发明的预混装置示意图；
图5为本发明的内置点火装置的富燃燃烧装置示意图；
图6为本发明的接火焰燃料电池的整体结构图；
图7为本发明的接火焰燃料电池的阴极侧连接体的示意图；
图8为本发明的接火焰燃料电池的阳极侧连接体的示意图；
图9为本发明的接火焰燃料电池的接电柱示意图。
具体实施方式
实施例1：如图1所示，本发明的一种利用残余燃料的直接火焰燃料电池发电装置，包括直接火焰燃料电池10以及至少一个向直接火焰燃料电池10送入燃料的燃料单元20；燃料单元20由固体氧化燃料电池21与固体氧化燃料电池21的出气口连接的预混装置22；预混装置22将燃料混合后送入直接火焰燃料电池10。直接火焰燃料电池10可匹配多个燃料单元20，由多个固体氧化物燃料电池电堆与一个直接火焰燃料电池电堆组成。多层固体氧化物燃料电池对应一层直接火焰燃料电池。
可选择地，本实施例中直接火焰燃料电池10匹配了两个燃料单元20。
固体氧化燃料电池21的结构如图2所示，固体氧化燃料电池21将残余的燃料(如氢气)和氧化剂(如氧气)直接通入预混装置，固体氧化燃料电池21设置有用于燃料送出的第一出口以及用于氧化剂送出的第二出口，第一出口以及第二出口第一出口的设置为常规设置，故本实施例中未在图示中给出，本实施例中，第一出口以及第二出口位于靠近预混装置22的同一侧面。
如图3所示，固体氧化燃料电池21由若干个并联的单电池组成，每个单电池之间设置有连接体211。
如图4所示，本发明在固体氧化燃料电池21与直接火焰燃料电池10之间设置有预混装置22，预混装置22内部为空腔结构，该空腔结构内部分布有若干挡板，在预混装置22内部形成用于气体混合的气体通道221。
具体为，预混装置22沿着气体流动方向交错排列有第一挡板222以及第二挡板223，第一挡板222以及第二挡板223均垂直于气体流动方向，第一挡板222距离预混装置22顶端具有用于气体通过的空隙，第二挡板223距离预混装置22底端具有用于气体通过的空隙，第一挡板222以及第二挡板223使得预混装置22内部形成了迂回的气体通道221。第一预混装置22设有多个混合气出口224。
如图5所示，经充分混合之后的混合气体通过混合气出口224进入混合气排气管道通入内置点火装置的富燃燃烧装置104中，富燃燃烧装置设置有用于混合气体通入的多个入气孔1041，富燃燃烧装置上的喷火嘴1042设置于富燃燃烧装置的壳体上，呈交叉分布，以使混合气的供应更均匀。
如图6所示，直接火焰燃料电池10包括端板101、设置于端板101下方的平板型固体氧化物燃料单电池102、两层阳极侧连接体103、设置于两层阳极侧连接体103之间的富燃燃烧装置104、设置于富燃燃烧装置104下方的阴极侧连接体105以及连接阳极侧连接体103以及阴极侧连接体105的接电柱106,单电池302的阳极侧连接体303水平放置在燃烧装置304的上下两侧。
如图7所示，阴极侧连接体105由金属连接体相连组成，氧气的进气方式为自吸式。如图8所示，阳极侧连接体103为边框式金属连接体。如图9所示，接电柱106纵向延伸(图中Y轴方向)，连接阳极侧连接体103以及阴极侧连接体105收集电流。
本实施例中利用残余燃料的直接火焰燃料电池发电装置的工作方法，包括以下步骤：
(a)燃料和氧化剂以适当的比例通入固体氧化燃料电池21中，为被利用的燃料和氧化剂直接通入内含挡板的预混装置22内；
(b)预混装置22内设置有迂回的气体通道221，使得燃料充分混合；
(c)混合后的气体通过预混装置22一侧设有的多个混合气出口，经过混合气运输通道通入内置点火装置的富燃燃烧装置104中，点火燃烧产生燃料电池所需的燃料、产生热量并消耗氧气，直接火焰燃料电池的阴极侧通入空气以产生化学势差，产生电流；
(d)接电柱连接全部的阳极侧连接体和阴极侧连接，收集直接火焰燃料电池的电流。
本发明通过与固体氧化物燃料电池电堆的连接有效的解决了现有技术中燃料电池末端剩余燃料不能充分利用的问题。

Claims (10)

1.一种利用残余燃料的直接火焰燃料电池发电装置，其特征在于，包括直接火焰燃料电池(10)以及至少一个向所述直接火焰燃料电池(10)送入燃料的燃料单元(20)；
所述燃料单元(20)由固体氧化燃料电池(21)与所述固体氧化燃料电池(21)的出气口连接的预混装置(22)；所述预混装置(22)将燃料混合后送入直接火焰燃料电池(10)。
2.根据权利要求1所述的利用残余燃料的直接火焰燃料电池发电装置，其特征在于，所述直接火焰燃料电池(10)包括端板(101)、设置于端板(101)下方的平板型固体氧化物燃料单电池(102)、两层阳极侧连接体(103)、设置于两层所述阳极侧连接体(103)之间的富燃燃烧装置(104)、设置于所述富燃燃烧装置(104)下方的阴极侧连接体(105)以及连接阳极侧连接体(103)以及阴极侧连接体(105)的接电柱(106)。
3.根据权利要求1所述的利用残余燃料的直接火焰燃料电池发电装置，其特征在于，所述预混装置(22)内部分布有用于气体混合的气体通道(221)。
4.根据权利要求3所述的利用残余燃料的直接火焰燃料电池发电装置，其特征在于，所述预混装置(22)沿着气体流动方向交错排列有第一挡板(222)以及第二挡板(223)，第一挡板(222)距离预混装置(22)顶端具有用于气体通过的空隙，第二挡板(223)距离预混装置(22)底端具有用于气体通过的空隙。
5.根据权利要求1所述的利用残余燃料的直接火焰燃料电池发电装置，其特征在于，所述固体氧化燃料电池(21)设置有用于燃料送出的第一出口以及用于氧化剂送出的第二出口，所述第一出口以及第二出口位于靠近预混装置(22)的同一侧面；所述预混装置(22)设有多个混合气出口。
6.根据权利要求2所述的利用残余燃料的直接火焰燃料电池发电装置，其特征在于，所述富燃燃烧装置(104)设置有用于混合气体通入的入气孔(1041)以及用于喷火嘴(1042)。
7.根据权利要求2所述的利用残余燃料的直接火焰燃料电池发电装置，其特征在于，所述阳极侧连接体(103)为边框式金属连接体。
8.根据权利要求2所述的利用残余燃料的直接火焰燃料电池发电装置，其特征在于，所述阴极侧连接体(105)由金属连接体相连组成。
9.根据权利要求1所述的利用残余燃料的直接火焰燃料电池发电装置，其特征在于，包括直接火焰燃料电池(10)以及设置于所述直接火焰燃料电池(10)两侧的燃料单元(20)组成。
10.一种利用残余燃料的直接火焰燃料电池发电装置的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：
(a)燃料和氧化剂以适当的比例通入固体氧化燃料电池(21)中，为被利用的燃料和氧化剂直接通入内含挡板的预混装置(22)内；
(b)预混装置(22)内设置有迂回的气体通道(221)，使得燃料充分混合；
(c)混合后的气体通过预混装置(22)一侧设有的多个混合气出口，经过混合气运输通道通入内置点火装置的富燃燃烧装置(104)中，点火燃烧产生所述燃料电池所需的燃料、产生热量并消耗氧气，直接火焰燃料电池的阴极侧通入空气以产生化学势差，产生电流；
(d)接电柱连接全部的阳极侧连接体和阴极侧连接，收集直接火焰燃料电池的电流。
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