CN113178605B - 一种流化床阳极固体氧化物燃料电池 - Google Patents

一种流化床阳极固体氧化物燃料电池 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种流化床阳极固体氧化物燃料电池，包括阳极仓、阴极仓、阳极颗粒、阴极层、阳极集流层、阴极集流层和电解质层，阳极仓和阴极仓之间通过阴极层隔开；阴极层的一侧与电解质层连接，阴极层的另一侧与阴极集流层连接，阴极集流层位于阴极仓中；阳极集流层和阳极颗粒均位于阳极仓中。本发明流化床阳极固体氧化物燃料电池，采用阳极仓和阳极颗粒构成流化床阳极，增大了电极反应界面，阳极颗粒在阳极仓中不停做无规则运动，使电极表面不断更新，在使用含碳燃料时提高了电极的抗积碳性能。流化床阳极提高了电极传热和传质效率，使得电极温度均匀，大大减小了传统固体电极由于温度不均产生的热应力，加快了燃料电池的启动速率。

Description

一种流化床阳极固体氧化物燃料电池
技术领域
本发明属于固体氧化物燃料电池技术领域，具体涉及一种流化床阳极固体氧化物燃料电池。
背景技术
随着国民经济的持续、快速发展，能源的清洁、高效利用成为非常紧迫的问题。传统能源的转化的方式以火力发电为主，该方式首先将燃料的化学能转化为热能，再转化为机械能和电能，由于受到卡诺循环的限制，其发电效率只达到40％左右。燃料电池被认为是继水力发电、热能发电和原子能发电后的第四种发电技术，具备发电效率高、燃料范围广等特点，由于不受卡诺循环的限制，在实际应用中的发电效率可达到50％-70％；在使用氢气等清洁能源时可实现产物的零污染，具有广阔的应用前景。
固体氧化物燃料电池相比于其他燃料电池，具有较高的功率密度、较好的燃料适应性、全固态结构，成为当前燃料电池备受关注的方向。然而，固体氧化物燃料电池的工作温度往往在几百摄氏度，远高于环境温度。由于从环境温度加热到启动温度的温差较大，且为减小加热时因燃料电池各部件温度分布不均而产生的热应力，固体氧化物燃料电池通常需要较长的启动时间和较为复杂的外部加热装置。此外，当在含碳燃料下工作时，固体氧化物燃料电池阳极上容易产生积碳，使得电池性能下降。
发明内容
本发明提供一种流化床阳极固体氧化物燃料电池，能够有效解决固体氧化物燃料电池启动时间长、阳极易积碳的问题。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种流化床阳极固体氧化物燃料电池，包括具有阳极进气口和阳极出气口的阳极仓、具有阴极进气口和阴极出气口的阴极仓、阳极颗粒、阴极层、阳极集流层、阴极集流层和电解质层，所述阳极仓和阴极仓之间通过电解质层隔开；所述阴极层的一侧与电解质层连接，阴极层的另一侧与阴极集流层连接，所述阴极层和阴极集流层均位于阴极仓中；所述阳极集流层和阳极颗粒均位于阳极仓中。
作为本发明实施例的进一步改进，所述阳极进气口连接有进气管，所述进气管上设有第一调节阀。
作为本发明实施例的进一步改进，还包括进气管、空气管和燃料管，所述进气管的一端连接阳极进气口，进气管的另一端分别连接用于通入空气的空气管和用于通入燃料气体的燃料管；所述进气管上设有第一调节阀，所述空气管上设有第二调节阀，所述燃料管上设有第三调节阀。
作为本发明实施例的进一步改进，所述燃料气体为氢气、甲烷或氨气。
作为本发明实施例的进一步改进，通入阳极仓的燃料气体和空气的当量比为1.5～2.5︰1。
作为本发明实施例的进一步改进，所述阳极仓内设有布风板，所述布风板位于阳极进气口处。
作为本发明实施例的进一步改进，所述阴极层采用镧锶锰复合材料或镧锶钴铁复合材料制成。
作为本发明实施例的进一步改进，所述阳极颗粒采用氧化镍与氧化钇稳定的氧化锆制成。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：本发明实施例提供一种流化床阳极固体氧化物燃料电池，采用阳极仓和阳极颗粒构成流化床阳极，增大了电极反应界面，阳极颗粒在阳极仓中不停做无规则运动，使电极表面不断更新，在使用含碳燃料时提高了电极的抗积碳性能。流化床阳极提高了电极传热和传质效率，使得电极温度均匀，大大减小了传统固体电极由于温度不均产生的热应力，加快了燃料电池的启动速率，增加了燃料电池使用的安全性，便于装置的大型化，在燃料电池产业化方面具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明具体实施例的流化床阳极固体氧化物燃料电池的结构示意图。
图中，阳极仓1，阴极仓2，阳极颗粒3，阴极层4，阳极集流层5，阴极集流层6，电解质层7，负载8，布风板9，进气管10，阴极管道11，第一调节阀12，第二调节阀13，
第三调节阀14，A燃料气体，B空气。
具体实施方式
下面对本发明的技术方案进行详细的说明。
本发明实施例提供一种流化床阳极固体氧化物燃料电池，如图1所示，包括阳极仓1和阴极仓2，阳极仓1和阴极仓2之间通过电解质层7隔开。阳极仓1的一端设有阳极进气口，阳极仓1的另一端设有阳极出气口。阴极仓2的一端设有阴极进气口，阴极仓2的另一端设有阴极出气口。阳极仓1中设有阳极集流层5和阳极颗粒3。阴极仓2中设有阴极层4和阴极集流层6，阴极层4的一侧与电解质层7连接，阴极层4的另一侧与阴极集流层6连接。
其中，阴极集流层6可以是层状结构，例如采用银浆涂敷在阴极层4的一侧；阴极集流层6也可以是板状结构，采用泡沫镍制成。阳极集流层5是板状结构，采用泡沫镍制成。阴极层4优选采用镧锶锰复合材料或镧锶钴铁复合材料制成。阳极颗粒3优选采用氧化镍与氧化钇稳定的氧化锆制成。
上述实施例的流化床阳极固体氧化物燃料电池，采用阳极仓1和阳极颗粒3构成流化床阳极，增大了电极反应界面，阳极颗粒3在阳极仓中不停做无规则运动，使电极表面不断更新，在使用含碳燃料时提高了电极的抗积碳性能。流化床阳极提高了电极传热和传质效率，使得电极温度均匀，大大减小了传统固体电极由于温度不均产生的热应力，加快了燃料电池的启动速率，增加了燃料电池使用的安全性，便于装置的大型化，在燃料电池产业化方面具有广阔的应用前景。
优选的，本实施例的流化床阳极固体氧化物燃料电池还包括进气管10，进气管10的一端连接阳极进气口，进气管10上设有第一调节阀12。进气管10用于向阳极仓内通入阳极气体，第一调节阀12用于调节阳极气体的通入量，阳极气体经进气管10通入阳极仓1中发生电化学反应。优选的，阳极气体可以是燃料气体A和空气B的混合气体，通入阳极仓1内发生电化学反应的同时，还在阳极仓1内燃烧设备的作用下进行燃烧，提供燃料电池启动热量，实现燃料电池的冷启动，进一步加快燃料电池的启动速率。
进一步，进气管10的另一端分别连接有用于通入空气B的空气管和用于通入燃料气体A的燃料管，空气管上设有第二调节阀13，燃料管上设有第三调节阀14。第二调节阀13用于调节空气B的流量和流速，第三调节阀14用于调节燃料气体A的流量和流速，第一调节阀12调节通入阳极仓1的混合气体的流量和流速。本实施例的燃料电池，向阳极仓1内通入燃料气体A和空气B的混合气体，发生电化学反应的同时，还在阳极仓1内燃烧设备的作用下进行燃烧，提供燃料电池启动热量，实现燃料电池的冷启动，进一步加快燃料电池的启动速率。通过第二调节阀13和第三调节阀14的调节，调节空气和燃料气体的当量比，从而实现燃烧反应与电化学反应强度的调节。通过第三调节阀14调节通入阳极仓1的混合气体的流量和流速，从而实现加热速率和温度的调节。
其中，燃料气体A优选为氢气、甲烷或氨气。
进一步，通入阳极仓1的燃料气体A和空气B的当量比为1.5～2.5︰1。为了保证阳极仓1内同时发生燃烧反应和电化学反应，燃料气体A和空气B的当量比大于1，可燃混合气中所含实际空气量少于所必需的理论空气量。在燃料电池启动时，燃料气体A和空气B的当量比选用较小值，此时燃料气体多数发生燃烧反应，加热反应装置。在反应过程中逐渐增大燃料气体A和空气B的当量比，燃料气体以电化学反应为主，燃烧反应用以维持燃料电池的工作温度。
优选的，阳极仓1内设有布风板9，布风板9位于阳极进气口处。设置布风板使阳极进气口进气均匀，同时防止阳极颗粒3漏出。
本发明实施例的流化床阳极固体氧化物燃料电池的工作过程如下：
(1)阳极集流层5和阴极集流层6分别连接负载8的两端；从燃料管通入燃料气体A，从空气管通入空气B，向阳极仓1中通入燃料气体和空气的混合物；分别调节第三调节阀14和第二调节阀13，使得燃料气体和空气以预设质量比混合；在燃料电池启动时选用较小的质量比，反应过程中逐渐调节增大质量比；从阴极仓2的阴极进气口通入空气；
(2)调节第一调节阀12以调节混合气体进入阳极仓1的流速，使得混合气体在阳极仓1内湍流流动，阳极仓1内发生燃烧反应与电化学反应，燃烧反应产生热量，阳极颗粒3形成较为理想的鼓泡流化状态，以提高导电性；如果燃料气体为氢气，发生的电化学反应为H2+O2-→H2O+2e-；如果燃料气体为甲烷，发生的电化学反应为CH4+4O2-→CO2+2H2O+8e-；如果燃料气体为氨气，发生的电化学反应为2NH3+3O2-→N2+3H2O+
6e-；
(3)在阴极仓2内，发生电化学反应O2+4e-→2O2-，空气中的氧气在阴极层4的作用下反应生成O2-，同时从阴极集流层6中接受电子，O2-扩散到电解质层7中，然后进入阳极仓1；如果燃料气体为氢气，O2-在阳极仓1内与氢气反应生成水，同时释放电子到阳极集流层5；如果燃料气体为甲烷，O2-在阳极仓1内与甲烷反应生成CO2和水，同时释放电子到阳极集流层5；如果燃料气体为氨气，O2-在阳极仓1内与氨气反应生成氮气和水，同时释放电子到阳极集流层5；电子通过阳极集流层5流至负载8，再经过阴极集流层6，完成电流闭路，从而发电；
(4)调节第三调节阀14和第二调节阀13，增大燃料气体和空气的当量比，调节第一调节阀12，增大通入阳极仓1的混合气体的量，调整燃烧反应速率和强度，从而实现控制反应温度。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种流化床阳极固体氧化物燃料电池，其特征在于，包括具有阳极进气口和阳极出气口的阳极仓(1)、具有阴极进气口和阴极出气口的阴极仓(2)、阳极颗粒(3)、阴极层(4)、阳极集流层(5)、阴极集流层(6)和电解质层(7)，所述阳极仓(1)和阴极仓(2)之间通过电解质层(7)隔开；所述阴极层(4)的一侧与电解质层(7)连接，阴极层(4)的另一侧与阴极集流层(6)连接，所述阴极层(4)和阴极集流层(6)均位于阴极仓(2)中；所述阳极集流层(5)和阳极颗粒(3)均位于阳极仓(1)中；所述阳极颗粒(3)采用氧化镍与氧化钇稳定的氧化锆制成；工作时，阳极颗粒(3)在阳极仓(1)中不停做无规则运动。
2.根据权利要求1所述的流化床阳极固体氧化物燃料电池，其特征在于，所述阳极进气口连接有进气管(10)，所述进气管(10)上设有第一调节阀(12)。
3.根据权利要求1所述的流化床阳极固体氧化物燃料电池，其特征在于，还包括进气管(10)、空气管和燃料管，所述进气管(10)的一端连接阳极进气口，进气管(10)的另一端分别连接用于通入空气的空气管和用于通入燃料气体的燃料管；所述进气管(10)上设有第一调节阀(12)，所述空气管上设有第二调节阀(13)，所述燃料管上设有第三调节阀(14)。
4.根据权利要求3所述的流化床阳极固体氧化物燃料电池，其特征在于，所述燃料气体为氢气、甲烷或氨气。
5.根据权利要求3所述的流化床阳极固体氧化物燃料电池，其特征在于，通入阳极仓(1)的燃料气体和空气的当量比为1.5～2.5︰1。
6.根据权利要求1所述的流化床阳极固体氧化物燃料电池，其特征在于，所述阳极仓(1)内设有布风板(9)，所述布风板(9)位于阳极进气口处。
7.根据权利要求1所述的流化床阳极固体氧化物燃料电池，其特征在于，所述阴极层(4)采用镧锶锰复合材料或镧锶钴铁复合材料制成。
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