CN112825363A - 一种电池发电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种电池发电装置，该电池发电装置包括：壳体，其内部形成一腔室；燃料重整单元，设置于所述壳体内部；尾气燃烧单元，围绕所述燃料重整单元设置；电池单元，包括多个电池结构，多个所述电池结构围绕所述尾气燃烧单元设置；其中，所述燃料重整单元与所述电池单元连通，所述尾气燃烧单元与所述腔室、所述电池单元分别连通。本发明装置结构紧凑，可靠性高，有利于燃料重整、尾气燃烧和电池之间的能量耦合来提高发电效率。

Description

一种电池发电装置
技术领域
本发明涉及一种发电装置，尤其涉及一种电池发电装置。
背景技术
固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell,SOFC)是一种采用固体氧化物作为电解质隔膜，通过电化学反应将燃料的化学能高效、清洁地转化为电能的发电装置，其发电效率可达50％以上，热电联供效率高于80％，是降低二氧化碳排放的新型发电装置。固体氧化物燃料电池不仅可以使用氢气作为燃料，还可以采用资源丰富而且廉价的天然气、液化石油气、燃油、城市煤气及生物质气等作为燃料。
固体氧化物燃料电池通常其燃料利用率为60～90％，有10～40％的燃料气作为尾气不能被电池用来进行发电，如果这部分燃料气被直接排出，则会造成很大的浪费，同时电池发电系统的效率也会因此而大大降低。
采用天然气等作为固体氧化物燃料电池的燃料，其利用效率可得到大大提高。但是，直接将天然气通到固体氧化物燃料电池阳极反应会引起阳极积炭，进而破坏电流传导的界面，降低催化剂的性能，影响电极内的气体传质，降低电池寿命。
中国专利CN201811092130提出建立与电池堆独立的重整器和尾气燃烧反应器，用于尾气燃烧反应和燃料重整反应，虽然燃烧反应的余热用于加热进入电池堆的空气，但没有尾气燃烧反应的热量仍然不能很好地被利用。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种电池发电装置，以克服现有技术中电池发电装置的发电效率较低的问题。
为了达到上述目的，本发明提供了一种电池发电装置，该电池发电装置包括：
壳体，其内部形成一腔室；
燃料重整单元，设置于所述壳体内部；
尾气燃烧单元，围绕所述燃料重整单元设置；
电池单元，包括多个电池结构，多个所述电池结构围绕所述尾气燃烧单元设置；
其中，所述燃料重整单元与所述电池单元连通，所述尾气燃烧单元与所述腔室、所述电池单元分别连通。
本发明所述的电池发电装置，其中，所述壳体上部设置有空气入口，所述燃料重整单元下部设置有燃料入口。
本发明所述的电池发电装置，其中，所述燃料重整单元与一燃料公共气腔连通，所述燃料公共气腔分别与多个所述电池结构连通，以将所述燃料重整单元中的燃料输送入多个所述电池结构中。
本发明所述的电池发电装置，其中，该电池发电装置还包括一尾气气腔，多个所述电池结构分别与该尾气气腔连通，该尾气气腔与所述尾气燃烧单元连通，以将多个所述电池结构中未反应的燃料输送入所述尾气燃烧单元。
本发明所述的电池发电装置，其中，所述壳体外还设置有一尾气外壳，所述尾气外壳与所述壳体之间形成夹层，所述尾气燃烧单元与该夹层连通，以将尾气燃烧单元中的燃料废气通过该夹层排出。
本发明所述的电池发电装置，其中，所述尾气外壳外还设置有保温外裹。
本发明所述的电池发电装置，其中，所述燃料重整单元与所述尾气燃烧单元为两层套管，所述燃料重整单元为内管，所述尾气燃烧单元为外管，所述内管的高度高于所述外管。
本发明所述的电池发电装置，其中，所述燃料公共气腔内水平设置有燃料气分配板，所述燃料重整单元向上伸入所述燃料公共气腔内，并穿过所述燃料气分配板；所述电池结构为管式固体氧化物燃料电池，多个所述电池结构间相互连接，并通过电流引出导线将电流引出电池发电装置；多个所述电池结构的一端向上伸入所述燃料公共气腔内，位于所述燃料气分配板之下。
本发明所述的电池发电装置，其中，所述尾气燃烧单元外还依次设置有第三套管和第四套管，所述尾气燃烧单元上部设置有第一开口和第二开口，所述第三套管连通所述尾气气腔和所述第一开口；所述第四套管连通所述腔室与所述第二开口。
本发明所述的电池发电装置，其中，所述尾气气腔内水平设置有尾气分配板，所述第三套管伸入所述尾气气腔至所述尾气分配板处，多个所述电池结构的另一端向下伸入所述尾气气腔，位于所述尾气分配板之上。
本发明的有益效果：
(1)燃料重整单元置于尾气燃烧单元中间，有利于燃烧反应释放的热量提供给吸热的燃料重整反应，有利于强化吸热反应与放热反应的热耦合，强化传热过程，提高系统的发电效率；
(2)燃烧反应和重整反应耦合，可以降低燃烧反应温度，提高了温度分布均匀性，有利于燃料电池稳定工作；
(3)燃料重整单元和尾气燃烧单元置于管式电池堆的中间位置，有利于维持管式电池工作温度和管式电池释放热量的利用。
附图说明
图1为本发明内置燃料重整器和尾气燃烧器的管式燃料电池发电装置的主体断面结构图。
其中，附图标记：
1 电池发电装置
11 壳体
111 空气入口
12 燃料重整单元
121 燃料入口
13 尾气燃烧单元
131 第一开口
132 第二开口
133 第三开口
14 电池单元
141 电池结构
1411 电池引出导线
15 燃料公共气腔
151 燃料气分配器
16 尾气气腔
161 尾气分配器
17 尾气外壳
171 废气排出口
18 保温外裹
19 第三套管
20 第四套管
具体实施方式
以下对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例，下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件。
参考图1，本发明提供了一种电池发电装置1，包括壳体11、燃料重整单元12、尾气燃烧单元13和电池单元14。
壳体11内部形成一腔室，壳体11上部设置有空气入口111；燃料重整单元12设置于壳体11内部，即设置于腔室内部，优选为设置于壳体11底板的正中央位置。燃料重整单元12上设置有燃料入口121，在一实施例中，燃料入口121设置于燃料重整单元12的底部，穿过壳体11底板与外界燃料供应管路连通；尾气燃烧单元13围绕燃料重整单元12设置，且同样设置于壳体1底板上；电池单元14包括多个电池结构141，多个所述电池结构141围绕尾气燃烧单元13设置。图1中电池结构141的数量为4个，但是本发明对电池结构141的数量不作特别限定，也可以为8个，48个，148个等等。
其中，燃料重整单元12与电池单元14连通，尾气燃烧单元13与腔室、电池单元14分别连通。
在一实施方式中，本发明燃料重整单元12和尾气燃烧单元13为两层套管结构，燃料重整单元12为内管，尾气燃烧单元13为外管，外管环绕内管，且外管和内管皆设置于壳体1底板上。
在一实施方式中，燃料重整单元12通过燃料公共气腔15与电池单元14连通。具体为，燃料公共气腔15设置于腔室的中上部，燃料重整单元12和尾气燃烧单元13的上部；作为内管的燃料重整单元12的高度高于作为外管的尾气燃烧单元13的高度，如此可以使得燃料重整单元12部分向上伸入燃料公共气腔15内部，并通过燃料气分配板整流后，实现燃料气在各个电池上分配均匀。而尾气燃烧单元13位于燃料公共气腔15外部。另外，燃料公共气腔15可以分别与多个电池结构141连通，如此即可实现将燃料重整单元12中的燃料通过燃料公共气腔15输送入多个电池结构141中。
作为优选的技术方案，燃料公共气腔15内水平设置有燃料气分配板151，例如设置于燃料公共气腔15的中央位置，燃料重整单元12向上伸入燃料公共气腔15内，并穿过燃料气分配板151，即燃料重整单元12的一端位于燃料气分配板151的上部。电池结构141例如为管式固体氧化物燃料电池，多个电池结构141的一端向上伸入燃料公共气腔15内，位于燃料气分配板151之下，如此可以实现燃料气通过燃料气分配板整流，使得燃料气在通过分配腔时实现在各个电池中的均匀分布。
在一实施方式中，该电池发电装置1还包括一尾气气腔16，多个电池结构141分别通过该尾气气腔16与尾气燃烧单元13连通。具体为，尾气气腔16设置于腔室的下部，围绕尾气燃烧单元13设置；多个电池结构141的另一端向下伸入尾气气腔16，尾气气腔16与尾气燃烧单元13连通，以将多个电池结构141中未反应的燃料输送入尾气燃烧单元13中。换言之，多个电池结构141为管式结构，设置于燃料公共气腔15和尾气气腔16之间，分别包括两端，一端向上伸入燃料公共气腔15内，另一端向下伸入尾气气腔16内，以实现电池结构141分别与燃料公共气腔15和尾气气腔16连通。
另外，多个电池结构141间相互连接，并通过电流引出导线1411将电流引出电池发电装置1。本发明对电池结构141的连接方式以及电流引出导线1411的设置位置不作特别限定，只要能满足本发明要求即可。
上述是以燃料公共气腔15设置于腔室的中上部，尾气气腔16设置于腔室的下部为例进行说明，但是本发明并不局限于此，燃料公共气腔15和尾气气腔16可以设置于腔室内的任何位置，只要能实现其功能即可。
在一实施方式中，尾气燃烧单元13外还依次设置有第三套管19和第四套管20，尾气燃烧单元13上部设置有第一开口131和第二开口132，第三套管19连通尾气气腔16和第一开口131；第四套管20连通腔室与第二开口132。在本发明中，第二开口132穿过第三套管19与第四套管20连通，即第二开口132并不与第三套管19连通。
详细而言，第三套管19环绕设置于尾气燃烧单元13外，其下端伸入尾气气腔16，下端设置有第一管口191。电池结构141中未反应的燃料首先进入尾气气腔16，然后通过第一管口191进入第三套管19内，并沿第三套管19向上流动，最终通过设置于尾气燃烧单元13上部的第一开口131进入尾气燃烧单元13内。
第四套管20环绕设置于第三套管19外，其下端设置有第二管口201。空气从空气入口111进入腔室，参与电池单元14的电化学反应后，从第二管口201进入第四套管20内，并沿第四套管20向上流动，通过第二开口132进入尾气燃烧单元13。本发明空气进出口结构设置，有利于空气在阴极腔的流动分布均匀，均匀流经每个电池的阴极。
作为优选的技术方案，尾气气腔16内水平设置有尾气分配板161，第三套管19伸入尾气气腔16至尾气分配板161处，即第一管口191设置于尾气分配板161处；多个电池结构141的另一端向下伸入尾气气腔16，位于尾气分配板161之上，如此可实现尾气的均匀分布，从而保障了燃料尾气从各个电池管均匀流出。除此之外，第三套管和第四套管设置，可以在电池热启动和停止时，缓冲燃烧单元产生的高温热辐射和降温过快的冲击，使得电池上的温度分布均匀。
在一实施方式中，尾气燃烧单元13下部设置有第三开口133，第三开口133穿过壳体11与外界或是其他工艺连通，如此使得尾气燃烧单元13燃烧后的废气可以通过第三开口133排出电池发电装置1。
在另一实施例中，壳体11外还设置有一尾气外壳17，尾气外壳17与壳体11之间形成夹层，尾气外壳17的上部设置有废气排出口171，尾气燃烧单元13与该夹层连通，以将尾气燃烧单元13中的燃料废气通过该夹层排出。这样燃烧尾气流经整个电池外围夹层，实现充分利用尾余热为整个系统柔和的加热保温或取热降温。例如，第三开口133与该夹层连通，尾气燃烧单元13燃烧后的废气通过第三开口133流入夹层中，并沿该夹层向上流动，通过废气排出口171排出电池发电装置1。
在一实施例中，尾气外壳17外还设置有保温外裹18，如此可以实现装置热量的充分利用。
在图1中，本发明的第一开口131、第二开口132、第三开口133、第一管口191和第二管口201皆为圆环设置，但本发明不以此为限，也可以为孔状结构等等。
以下将对电池发电装置1的使用方法进行详细说明。
首先，燃料从燃料入口121进入燃料重整单元12内，在重整催化剂作用下与水蒸汽发生催化重整反应生成合成气，然后合成气再通过燃料公共气腔15的重新分配后进入各电池结构141，在电池阳极上进行电化学反应。电池结构141间相互连接，然后通过电流引出导线1411将电流导出电池发电装置1。燃料重整反应是一个在高温下(600～900℃)进行的强吸热反应：CH4+H2O→3H2+CO,ΔH1073＝+225.7kJ·mol-1，该反应进行需要大量的热能。电池工作时因电压效率和电流效率不是100％，而产生一部分热；燃料尾气的催化燃烧是一个强放热反应：H2+0.5O2→H2O，ΔH1073＝-248.3kJ·mol-1，电池单元和尾气燃烧单元产生的热量需要及时移走，防止产生局部高温冲击。本发明燃料重整单元处于尾气燃烧单元中间，有利于燃烧反应的释放热量提供给吸热的燃料重整单元。燃料重整单元和尾气燃烧单元处于管式电池单元的中间，有利于电池反应、重整反应和燃烧反应的能量耦合。
另一方面，空气从空气入口111进入腔室，与电池单元14接触并参与电化学反应，然后通过第二管口201进入第四套管20中，并沿着第四套管向上流动，通过第二开口132进入尾气燃烧单元13内。与此同时，电池单元14中未反应的燃料进入尾气气腔16，然后通过第一管口191进入第三套管19内，并沿第三套管19向上流动，最终通过设置于尾气燃烧单元13上部的第一开口131进入尾气燃烧单元13内，与进入尾气燃烧单元13内的空气同时发生燃烧反应，燃烧过程产生的热量可供给于燃料重整单元12，燃烧后的废气通过第三开口133排出电池发电装置1。
综上所述，尾气燃烧是强放热反应，燃料电池在高效发电的同时也产生部分热量，本发明将燃料重整单元设置于尾气燃烧单元中间，有利于燃烧反应的释放热量提供给吸热的燃料重整单元。将燃料重整单元和尾气燃烧单元设置于管式电池单元的中间，有利于电池反应、重整反应和燃烧反应的能量耦合。如此，本发明提供了一种包括管式氧化物燃料电池、燃料重整单元和尾气燃烧单元的发电模块集成装置，该发电装置可应用于固体氧化物燃料电池发电产热系统，它可以有效地实现燃料重整、电池反应、尾气催化燃烧的热量耦合，提高系统的发电效率和系统总能利用效率。
另外，本发明装置在保证高效发电的同时，能够及时移走热量，保证装置稳定、安全运行。
以下将以实际操作过程中的具体实施方式对本发明技术方案进一步进行说明。
实例1
采用18支直径为10mm、长度为150mm的阳极支撑管式电池结构141，按照图1的结构组装电池单元14，燃料重整反应单元12内填充重整催化剂，尾气燃烧单元13内填充尾气燃烧催化剂。设置空气入口111和废气排出口171处设置进出气体换热器。高温模块通过燃料点火启动，电池单元通过气体加热升温。电池单元处空气升温到800℃测试发电单元性能。以天然气(混有水蒸气)为燃料，空气为氧化剂，发电单元的开路电压为19.8V,在输出电压为12V时，输出功率为130W，发电效率为57％。
实例2
采用108支直径为10mm、长度为150mm的阳极支撑管式电池结构141，按照图1的结构组装电池单元14，燃料重整反应单元12内填充重整催化剂，尾气燃烧单元13内填充尾气燃烧催化剂。设置空气入口111和废气排出口171处设置进出气体换热器。高温模块通过燃料点火启动，电池单元通过气体加热升温。电池单元处空气升温到800℃时测试发电单元性能。以天然气(混有水蒸气)为燃料，空气为氧化剂，发电单元的开路电压为118.5V,在输出电压为75V时的输出功率为732W，发电效率为54％。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种电池发电装置，其特征在于，该电池发电装置包括：
壳体，其内部形成一腔室；
燃料重整单元，设置于所述壳体内部；
尾气燃烧单元，围绕所述燃料重整单元设置；
电池单元，包括多个电池结构，多个所述电池结构围绕所述尾气燃烧单元设置；
其中，所述燃料重整单元与所述电池单元连通，所述尾气燃烧单元与所述腔室、所述电池单元分别连通。
2.根据权利要求1所述的电池发电装置，其特征在于，所述壳体上部设置有空气入口，所述燃料重整单元下部设置有燃料入口。
3.根据权利要求1所述的电池发电装置，其特征在于，所述燃料重整单元与一燃料公共气腔连通，所述燃料公共气腔分别与多个所述电池结构连通，以将所述燃料重整单元中的燃料输送入多个所述电池结构中。
4.根据权利要求1所述的电池发电装置，其特征在于，该电池发电装置还包括一尾气气腔，多个所述电池结构分别与该尾气气腔连通，该尾气气腔与所述尾气燃烧单元连通，以将多个所述电池结构中未反应的燃料输送入所述尾气燃烧单元。
5.根据权利要求1所述的电池发电装置，其特征在于，所述壳体外还设置有一尾气外壳，所述尾气外壳与所述壳体之间形成夹层，所述尾气燃烧单元与该夹层连通，以将尾气燃烧单元中的燃料废气通过该夹层排出。
6.根据权利要求5所述的电池发电装置，其特征在于，所述尾气外壳外还设置有保温外裹。
7.根据权利要求1-6任一项所述的电池发电装置，其特征在于，所述燃料重整单元与所述尾气燃烧单元为两层套管，所述燃料重整单元为内管，所述尾气燃烧单元为外管，所述内管的高度高于所述外管。
8.根据权利要求7所述的电池发电装置，其特征在于，所述燃料公共气腔内水平设置有燃料气分配板，所述燃料重整单元向上伸入所述燃料公共气腔内，并穿过所述燃料气分配板；所述电池结构为管式固体氧化物燃料电池，多个所述电池结构间相互连接，并通过电流引出导线将电流引出电池发电装置；多个所述电池结构的一端向上伸入所述燃料公共气腔内，位于所述燃料气分配板之下。
9.根据权利要求8所述的电池发电装置，其特征在于，所述尾气燃烧单元外还依次设置有第三套管和第四套管，所述尾气燃烧单元上部设置有第一开口和第二开口，所述第三套管连通所述尾气气腔和所述第一开口；所述第四套管连通所述腔室与所述第二开口。
10.根据权利要求9所述的电池发电装置，其特征在于，所述尾气气腔内水平设置有尾气分配板，所述第三套管伸入所述尾气气腔至所述尾气分配板处，多个所述电池结构的另一端向下伸入所述尾气气腔，位于所述尾气分配板之上。
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