CN116779930A - 一种基于多管串联式固体氧化物燃料电池的便携电源装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于多管串联式固体氧化物燃料电池的便携电源装置，包括串联式燃料电池机构和明火加热机构；所述串联式燃料电池机构包括串联式燃料电池组、供气组件以及回气组件；所述串联式燃料电池组包括多个燃料电池芯和多个串联连接件；所述燃料电池芯为两端开口的阳极支撑的管式固体氧化物燃料电池；所述供气组件包括供气罐、供气管和供气盖；所述供气盖上设有供气腔和供气接头，所述供气接头设有多个且分别与所述供气腔连通；所述回气组件包括回气管和回气盖，所述回气管的一端与回气盖连接，该回气管的另一端延伸至明火加热机构的火口处。该便携电源装置不仅便于携带，而且燃料利用率较高。

Description

一种基于多管串联式固体氧化物燃料电池的便携电源装置
技术领域
本发明涉及燃料电池装置，具体涉及一种基于多管串联式固体氧化物燃料电池的便携电源装置。
背景技术
当下经济和社会的发展离不开能源。在可以预见的未来，人类以石油、天然气、煤炭这些化石燃料为主的能源利用现状不会改变。而如今随着移动电子设备越来越频繁地出现在人们的工作和生活当中，对于便携式电源的需求急剧上升。但是对传统化石能源不合理利用所造成的能源危机与温室效应造成的环境问题也亟待解决，为了更好地平衡环境保护与经济社会的协调发展，急需开发新型的高效环保的化石能源利用技术。
作为一种新型碳基能源利用技术，固体氧化物燃料电池(SOFCs)作为一种全固态的能源转换装置，具有燃料适用范围广，能量转换效率高，环境友好无污染且能够实现热电联供等优点，受到了广泛关注和期待。但是，现有固体氧化物燃料电池装置不仅具有较大的体积和质量，不便于携带，而且燃料利用率有待提高。
发明内容
本发明的目的在于克服上述存在的问题，提供一种基于多管串联式固体氧化物燃料电池的便携电源装置，该便携电源装置不仅便于携带，而且燃料利用率较高。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种基于多管串联式固体氧化物燃料电池的便携电源装置，包括串联式燃料电池机构和用于对串联式燃料电池机构进行加热的明火加热机构；
所述串联式燃料电池机构包括串联式燃料电池组、供气组件以及回气组件；所述串联式燃料电池组横向设置在明火加热机构的火口的上方，该串联式燃料电池组包括多个平行设置的燃料电池芯和多个串联连接件；所述燃料电池芯为两端开口的阳极支撑的管式固体氧化物燃料电池，该燃料电池芯包括阳极层、电解质层以及阴极层，所述阳极层涂刷在电解质层的内表面，所述阴极层涂刷在电解质层的外表面；所述串联连接件的一侧连接在两个相邻的其中一个燃料电池芯的阳极层上，该串联连接件的另一侧连接在两个相邻的另一个燃料电池芯的阴极层上；所述供气组件包括供气罐、供气管和供气盖，所述供气管用于将供气罐的燃气输送至供气盖中；所述供气盖上设有供气腔和用于与燃料电池芯连通的供气接头，所述供气接头设有多个且分别与所述供气腔连通；所述回气组件包括回气管和回气盖，所述回气管的一端与回气盖连接，该回气管的另一端延伸至明火加热机构的火口处；所述回气盖上设有回气腔和用于与燃料电池芯连通的回气接头，所述回气接头设有多个且分别与所述回气腔连通。
上述基于多管串联式固体氧化物燃料电池的便携电源装置的工作原理为：
工作时，通过明火加热机构产生火焰，对上方的串联式燃料电池组进行加热，以满足工作温度要求。
通过供气管将供气罐的燃气输送至供气盖中，高温环境下在多孔介质催化剂的表面发生部分氧化反应，生成了能够被燃料电池芯利用的混合气燃料如氢气及一氧化碳，混合燃气由供气盖的供气接头进入燃料电池芯的内腔；燃气与阳极层表面接触，并发生部分电化学氧化反应，放电同时也产生热量；与此同时，位于电解质层的外侧的阴极层直接与空气接触，利用空气中的氧气作为氧化剂，发生还原反应生成氧离子。电池反应放出的热量为碳氢燃料的重整提供了高温边界，减少了碳氢燃料在不间断的输入过程中重整反应时的放热损失。
进一步，在发生电化学反应的同时也产生了一些反应尾气，这些尾气和未能完全参与反应的燃料气经由回气管和回气盖输送至火盖的火焰口处，让未完全参与反应的燃气继续燃烧，以提高燃料利用效率。
本发明的一个优选方案，其中，所述阳极层和阴极层均由银和导电陶瓷的复合材料制成，该材料为多孔结构并有良好的离子和电子导电率。
本发明的一个优选方案，其中，多个燃料电池芯阵列设置。
本发明的一个优选方案，其中，所述燃料电池芯的电解质层和阴极层上均设有开口；所述串联连接件一侧穿过两个开口与燃料电池芯的阳极层连接。
本发明的一个优选方案，其中，所述串联连接件由银浆材料制成，银浆具有优良的导电性和可加工性，高温固化后也起到密封的作用，是一种良好的SOFC导电材料和密封材料。
本发明的一个优选方案，其中，所述供气盖的供气腔中设有重整催化剂；当碳氢燃料通过供气管进入供气盖的供气腔后，高温环境下在多孔介质催化剂的表面发生部分氧化反应，生成了能够被燃料电池芯利用的混合气燃料如氢气及一氧化碳，之后通过多个供气接头进入燃料电池芯的内腔中，参与电池的电化学反应。
进一步，所述重整催化剂是泡沫陶瓷负载的纳米氧化铜或者是泡沫陶瓷负载的纳米氧化铈；
所述纳米氧化铜的颗粒直径小于50nm；所述纳米氧化铈的颗粒直径小于100nm；
所述泡沫陶瓷为氧化铝或者氧化锆。
本发明的一个优选方案，其中，所述明火加热机构包括储气罐、输气管、火盖以及打火器，所述输气管连接在储气罐和火盖之间，该输气管上设有用于调节气流大小的调节阀；所述打火器的点火端延伸至火盖的上方；所述串联式燃料电池组横向设置在火盖的上方；所述回气管的另一端延伸至回气盖的上方。通过上述结构，打开调节阀，通过输气管将储气罐中的燃气输送至火盖处，通过打火器进行点火，引燃火盖处的燃气，产生火焰，从而对上方的串联式燃料电池组进行加热，以满足工作温度要求。
本发明的一个优选方案，其中，所述供气罐由所述储气罐构成，这样有利于简化结构，缩小体积。
进一步，所述供气管通过输气管与所述供气罐连通；所述输气管上分接孔，所述供气管与所述分接孔连通。
本发明的一个优选方案，其中，所述明火加热机构还包括由耐高温材质制成的防风罩；所述燃料电池芯固定设置在防风罩的上方。这样，不仅能够防风聚温，还可以作为支架起到对燃料电池芯的支撑固定作用。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1、本发明的便携电源装置通过将串联式燃料电池机构和加热机构巧妙结合在一起，可减小整体结构的体积和质量，便于携带。
2、通过串联连接件将多个燃料电池芯串联，以此提高该装置的最大功率。
3、通过回气组件将未完全参与反应的燃料气排向加热机构的火焰口处，对加热机构进行助燃，达到充分利用燃料的目的，以提高燃料利用效率。
附图说明
图1为本发明的基于多管串联式固体氧化物燃料电池的便携电源装置的侧视图。
图2为本发明的基于多管串联式固体氧化物燃料电池的便携电源装置的立体结构示意图。
图3为本发明的串联式燃料电池机构的立体结构爆炸示意图。
图4为本发明的串联式燃料电池组的侧视图。
图5为本发明的燃料电池芯的立体结构示意图。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员很好地理解本发明的技术方案，下面结合实施例和附图对本发明作进一步描述，但本发明的实施方式不仅限于此。
参见图1-5，本实施例的基于多管串联式固体氧化物燃料电池的便携电源装置，包括串联式燃料电池机构和用于对串联式燃料电池机构进行加热的明火加热机构；所述串联式燃料电池机构包括串联式燃料电池组、供气组件以及回气组件；所述串联式燃料电池组横向设置在明火加热机构的火口的上方，该串联式燃料电池组包括多个平行设置的燃料电池芯1和多个串联连接件2，其中，多个燃料电池芯1阵列设置；所述燃料电池芯1为两端开口的阳极支撑的管式固体氧化物燃料电池，该燃料电池芯1包括阳极层1-1、电解质层1-2以及阴极层1-3，所述阳极层1-1涂刷在电解质层1-2的内表面，所述阴极层1-3涂刷在电解质层1-2的外表面；其中，所述阳极层1-1和阴极层1-3均由多孔结构的银和导电陶瓷的复合材料制成。所述串联连接件2的一侧连接在两个相邻的其中一个燃料电池芯1的阳极层1-1上，该串联连接件2的另一侧连接在两个相邻的另一个燃料电池芯1的阴极层1-3上；所述供气组件包括供气罐、供气管3和供气盖4，所述供气管3用于将供气罐的燃气输送至供气盖4中；所述供气盖4上设有供气腔和用于与燃料电池芯1连通的供气接头4-1，所述供气接头4-1设有多个且分别与所述供气腔连通；所述回气组件包括回气管5和回气盖6，所述回气管5的一端与回气盖6连接，该回气管5的另一端延伸至明火加热机构的火口处；所述回气盖6上设有回气腔和用于与燃料电池芯1连通的回气接头6-1，所述回气接头6-1设有多个且分别与所述回气腔连通。
进一步，所述串联连接件2由银浆材料制成，银浆具有优良的导电性和可加工性，高温固化后也起到密封的作用，是一种良好的SOFC导电材料和密封材料。
参见图5，所述燃料电池芯1的电解质层1-2和阴极层1-3上均设有开口；所述串联连接件2一端穿过两个开口与燃料电池芯1的阳极层1-1连接。
参见图3，所述供气盖4的供气腔中设有重整催化剂；当碳氢燃料通过供气管3进入供气盖4的供气腔后，高温环境下在多孔介质催化剂的表面发生部分氧化反应，生成了能够被燃料电池芯1利用的混合气燃料如氢气及一氧化碳，之后通过多个供气接头4-1进入燃料电池芯1的内腔中，参与电池的电化学反应。
进一步，所述重整催化剂是泡沫陶瓷负载的纳米氧化铜或者是泡沫陶瓷负载的纳米氧化铈；所述纳米氧化铜的颗粒直径小于50nm；所述纳米氧化铈的颗粒直径小于100nm；所述泡沫陶瓷为氧化铝或者氧化锆。
参见图1-2，所述明火加热机构包括储气罐7、输气管8、防风罩9、火盖10以及压电陶瓷电子打火器11，所述输气管8连接在储气罐7和火盖10之间，该输气管8上设有用于调节气流大小的调节阀12；所述打火器11的点火端延伸至火盖10的上方；所述串联式燃料电池组横向设置在火盖10的上方；所述回气管5的另一端延伸至回气盖6的上方。储气罐7通常储存着碳氢化合物燃料，例如天然气、丙烷等。碳氢化合物燃料具有能量密度高，易于存储、运行成本低等多种优点。
参见图1-2，所述供气罐由所述储气罐7构成，这样有利于简化结构，缩小体积。
进一步，所述供气管3通过输气管8与所述供气罐连通；所述输气管8上分接孔，所述供气管3与所述分接孔连通。
参见图1-2，所述防风罩9由耐高温材质制成，所述燃料电池芯1固定设置在防风罩9的上方。这样，不仅能够防风聚温，还可以作为支架起到对燃料电池芯1的支撑固定作用。
参见图1-5，本实施例的基于多管串联式固体氧化物燃料电池的便携电源装置的工作原理为：
工作时，通过上述结构，打开调节阀12，通过输气管8将储气罐7中的燃气输送至火盖10处，通过打火器11进行点火，引燃火盖10处的燃气，产生火焰，从而对上方的串联式燃料电池组进行加热，以满足工作温度要求。
通过供气管3将供气罐的燃气输送至供气盖4中，高温环境下在多孔介质催化剂的表面发生部分氧化反应，生成了能够被燃料电池芯利用的混合气燃料如氢气及一氧化碳，燃气由供气盖4的供气接头4-1进入燃料电池芯1的内腔；燃气与阳极层1-1表面接触，并发生部分电化学氧化反应，放电同时也产生热量；与此同时，位于电解质层的外侧的阴极层直接与空气接触，利用空气中的氧气作为氧化剂，与此同时，位于电解质层1-2的外侧的阴极层1-3直接与空气接触，利用空气中的氧气作为氧化剂，发生还原反应生成氧离子。其中，电池反应放出的热量为碳氢燃料的重整提供了高温边界，减少了碳氢燃料在不间断的输入过程中重整反应时的放热损失。
进一步，在发生电化学反应的同时也产生了一些反应尾气，这些尾气和未能完全参与反应的燃料气经由回气管5和回气盖6输送至火盖10的火焰口处，让未完全参与反应的燃气继续燃烧，以提高燃料利用效率。
上述为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述内容的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于多管串联式固体氧化物燃料电池的便携电源装置，其特征在于，包括串联式燃料电池机构和用于对串联式燃料电池机构进行加热的明火加热机构；
所述串联式燃料电池机构包括串联式燃料电池组、供气组件以及回气组件；所述串联式燃料电池组横向设置在明火加热机构的火口的上方，该串联式燃料电池组包括多个平行设置的燃料电池芯和多个串联连接件；所述燃料电池芯为两端开口的阳极支撑的管式固体氧化物燃料电池，该燃料电池芯包括阳极层、电解质层以及阴极层，所述阳极层涂刷在电解质层的内表面，所述阴极层涂刷在电解质层的外表面；所述串联连接件的一侧连接在两个相邻的其中一个燃料电池芯的阳极层上，该串联连接件的另一侧连接在两个相邻的另一个燃料电池芯的阴极层上；所述供气组件包括供气罐、供气管和供气盖，所述供气管用于将供气罐的燃气输送至供气盖中；所述供气盖上设有供气腔和用于与燃料电池芯连通的供气接头，所述供气接头设有多个且分别与所述供气腔连通；所述回气组件包括回气管和回气盖，所述回气管的一端与回气盖连接，该回气管的另一端延伸至明火加热机构的火口处；所述回气盖上设有回气腔和用于与燃料电池芯连通的回气接头，所述回气接头设有多个且分别与所述回气腔连通。
2.根据权利要求1所述的基于多管串联式固体氧化物燃料电池的便携电源装置，其特征在于，所述阳极层和阴极层均由银和导电陶瓷的复合材料制成。
3.根据权利要求1所述的基于多管串联式固体氧化物燃料电池的便携电源装置，其特征在于，多个燃料电池芯阵列设置。
4.根据权利要求1所述的基于多管串联式固体氧化物燃料电池的便携电源装置，其特征在于，所述串联连接件由银浆材料制成。
5.根据权利要求1所述的基于多管串联式固体氧化物燃料电池的便携电源装置，其特征在于，所述燃料电池芯的电解质层和阴极层上均设有开口；所述串联连接件一侧穿过两个开口与燃料电池芯的阳极层连接。
6.根据权利要求1所述的基于多管串联式固体氧化物燃料电池的便携电源装置，其特征在于，所述供气盖的供气腔中设有重整催化剂；当碳氢燃料通过供气管进入供气盖的供气腔后，高温环境下在多孔介质催化剂的表面发生部分氧化反应，生成了能够被燃料电池芯利用的混合气燃料如氢气及一氧化碳，之后通过多个供气接头进入燃料电池芯的内腔中，参与电池的电化学反应。
7.根据权利要求6所述的基于多管串联式固体氧化物燃料电池的便携电源装置，其特征在于，所述重整催化剂是泡沫陶瓷负载的纳米氧化铜或者是泡沫陶瓷负载的纳米氧化铈；
所述纳米氧化铜的颗粒直径小于50nm；所述纳米氧化铈的颗粒直径小于100nm；
所述泡沫陶瓷为氧化铝或者氧化锆。
8.根据权利要求1所述的基于多管串联式固体氧化物燃料电池的便携电源装置，其特征在于，所述明火加热机构包括储气罐、输气管、火盖以及打火器，所述输气管连接在储气罐和火盖之间，该输气管上设有用于调节气流大小的调节阀；所述打火器的点火端延伸至火盖的上方；所述串联式燃料电池组横向设置在火盖的上方；所述回气管的另一端延伸至回气盖的上方。
9.根据权利要求8所述的基于多管串联式固体氧化物燃料电池的便携电源装置，其特征在于，所述供气罐由所述储气罐构成；
所述供气管通过输气管与所述供气罐连通；所述输气管上分接孔，所述供气管与所述分接孔连通。
10.根据权利要求8所述的基于多管串联式固体氧化物燃料电池的便携电
源装置，其特征在于，所述明火加热机构还包括由耐高温材质制成的防风罩；
所述燃料电池芯固定设置在防风罩的上方。
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