CN201608236U - 一种固体氧化物燃料电池电源装置系统 - Google Patents

一种固体氧化物燃料电池电源装置系统 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开了一种固体氧化物燃料电池电源装置系统，包括燃料电池堆组件，与燃料电池堆组件连接的液体燃料罐，液体燃料罐中的挥发性燃料气体经燃料电池堆组件阳极侧流经燃料电池堆组件，进入燃烧室进行电子打火燃烧；与燃料电池堆组件通过热交换器连接的空气鼓风机；与空气鼓风机、液体燃料罐、燃烧室内的电子打火燃烧装置连接的蓄电池。本实用新型具有长期稳定的电源性、使用寿命长、燃料利用率高的优点，且合理利用了尾气能量、具有燃料自动控制功能等特点。

Description

一种固体氧化物燃料电池电源装置系统
技术领域
本实用新型涉及燃料电池领域，具体是一种固体氧化物燃料电池电源装置系统。
背景技术
发展各种高性能的电源技术，特别是功率从数瓦到数十千瓦(例如1W-100kW)的小、中型固定和移动能源，具有广泛的应用市场。从手提计算机到各种办公场所的备用电源，从军事应用的无人驾驶飞行器电源，到各种各样的分散式电源装置，从家用的数千瓦的热电联供能量系统到小区、学校和其它单位用的数百千瓦和兆瓦级的小型电站，是一个十分巨大的市场需求缺口。已有传统电源装置除了低能效、高污染、价格高外，还有其它各种缺点或弊病，不能完全满足这些领域的技术应用要求。例如，小型发电机启动慢、噪音大、污染环境、能效低，已经商品化的蓄电池如Ni-H电池，锂电池等容量小、一次性充放电时间周期短，特别是不能按需要实现较大的电功率输出等。做为移动电源，还应该特别满足如下性能要求：
(1)、体积小巧，电压和功率范围可调；
(2)、启动快、关停自如，使用方便；
(3)、安全稳定、可靠性高，寿命长；
(4)、造价比较便宜，适于大量使用的发展；
(5)、用洁净液体燃料，既环保又具有高的体积能量密度，从而可以具有足够长的使用时间。
固体氧化物燃料电池(SOFC)，特别是其现代发展阶段，称为陶瓷膜燃料电池(CMFC)，是举世公认的新型高效绿色能源。通过数十年的研究开发，在关键材料和制备技术方面都取得了突破性进展，目前正在走向商业化和产业化。SOFC/CMFC具有能量转化效率高、对环境友好、结构稳定、操作方便、对燃料适应性广泛等一系列特点和优势，被称为21世纪的绿色能源。迄今，在国际范围内，SOFC的主要应用指向一个是做为汽车的辅助电源和动力能源，另一个是发展煤基发电系统。前者复杂专用(尚未实用化)，后者主要兴趣在于大功率、高稳定性的研究。对于上述所提到的各种小中型电源，虽然是许多开发商的追求目标，但很少商品化发电装置系统构型的报道。除了关键材料和电池核心部件的制造技术以外，从实用化角度，最重要的是电池和电池堆的构型设计，这关系到能量利用率的高低和制造工艺的难易程度，从而关系到产品的性价比和市场竞争力。
实用新型内容
本实用新型提供了一种固体氧化物燃料电池电源装置系统，具有长期稳定的电源性、使用寿命长、燃料利用率高的优点。
本实用新型的技术方案为：
一种固体氧化物燃料电池电源装置系统，其特征在于：包括燃料电池堆组件，
与所述的燃料电池堆组件连接的液体燃料罐，液体燃料罐中的挥发性燃料气体经燃料电池堆组件阳极侧流经燃料电池堆组件，进入燃烧室进行电子打火燃烧；
与所述的燃料电池堆组件通过热交换器连接的空气鼓风机，空气经空气鼓风机鼓入燃料电池堆组件阴极侧；
与所述的空气鼓风机、液体燃料罐、燃烧室内的电子打火燃烧装置连接的蓄电池。
所述的固体氧化物燃料电池电源装置系统，其特征在于：所述的燃料电池堆组件发电后得到的热尾气，输送至液体燃料罐外的加热保温套内对液体燃料罐进行辅助加热；所述的燃料电池堆组件与蓄电池连接，给蓄电池进行充电；所述的热交换器置于燃烧室内，燃烧室置于燃料电池堆组件的中部。
所述的固体氧化物燃料电池电源装置系统，其特征在于：所述的燃料电池堆组件的每个单元电池的上端是阴极，阴极的下方是电解质层，电解质层下方是阳极层，连接体将前一个单元电池的阳极与临近电池的阴极电连接组成一个单元电池堆。
所述的固体氧化物燃料电池电源装置系统，其特征在于：所述的挥发性燃料气体选用甲醇、液氨或两者的混合物气体；所述的蓄电池选用锂电池或镍氢电池。
所述的固体氧化物燃料电池电源装置系统，其特征在于：所述的燃料电池堆组件的工作温度为400-950℃。
本实用新型具有如下优点：
(1)、合理的利用了尾气的能量：SOFC须在高温操作，利用外加热不仅启动慢，而且耗能，尾气又白白浪费。实际装置类似于图2所示(中国专利ZL2007 20035647.3)，燃烧室置于电池堆的中部，可以更快速充分利用尾气燃烧的热量。这就解决了一般认为SOFC/CMFC的启动慢的问题。特别是选用微管式燃料电池，由于管径细、管壁薄，启动更快速。
(2)、利用蓄电池作为启动电源，用于开启燃料罐电磁阀，推动风机吹送氧化剂(空气)，打火点燃尾气以及做为整个装置的控制电源等。蓄电池可以是锂电池、镍氢电池等，燃料电池可以随时给蓄电池充电，合理地解决了整个电源冷启动问题。
(3)、系统的燃料自动控制功能：为了减小系统体积，电池堆的体积要尽可能小，即要求系统部件少而轻。在应用功率较大时，流入电池堆的燃料大部分消耗于发电，而进入燃烧室的燃料减少，导致热量减少，从而进入热交换器的新鲜空气的温度降低，电池温度亦随之降低，电池输出减小，燃料消耗率也随之减低，从而进入燃烧室的燃料增多，使鼓入的空气温度提高，进而提高了电池堆的温度，也就抬高了功率输出。另一方面，燃料室温度提高使得尾气温度提高，燃料罐的压力增大，燃料的流出增多，保证了功率的增大，从而实现了系统的自动调节功能。
(4)、燃料电池堆的选择和应用：SOFC或CMFC主要有三种电堆构型，包括平板式，管式和微管式，各有所长，但应适当选择。研发最多的是平板式，一般认为其优点是体积功率密度可以很高，但其高温密封和金属连接材料等尚未证实无虞，较大平板面积时，其散热不良也是令人担忧的问题。西屋公司实用新型的阴极支撑的管状电池，美国Acumentrics公司近期发展的细管电池等，单位表面功率密度和体积功率密度都较小，但检测表明其长期稳定性极高，值得信赖，唯有从室温到工作温度的启动时间长。目前令人重视的是微管式电池，具有功率密度高、启动快的优点，对于组建小中型电源体系，具有优势。但其集电问题是个需要解决的技术问题。本实用新型的系统中，根究不同的需要选定适当的电池堆。
(5)、本实用新型直接使用液体燃料甲醇和/或液氨，不加任何重整处理，系统简单；
(6)、这种单管式电池堆设计，可以得到高电压、小电流输出，容易满足各种电源需求；采用小电流操作，可以延长电池寿命；
(7)、残余燃料和空气进入燃烧室，自加热新鲜空气，使得电池逐步加热无热震之虞，又合理利用了能量，提高了燃料利用率。
附图说明
图1是本实用新型的工作原理图。
图2是专利陶瓷膜燃料电池-热电联供装置的结构示意图。
图3是本实用新型的燃料电池堆组件中单元电池堆的结构示意图。
具体实施方式
一种固体氧化物燃料电池电源装置系统，包括燃料电池堆组件1，与燃料电池堆组件1连接的液体燃料罐2，液体燃料罐2中的挥发性燃料气体经燃料电池堆组件1阳极侧流经燃料电池堆组件2，进入燃烧室3进行电子打火燃烧；挥发性燃料气体选用甲醇、液氨或两者的混合物气体；与燃料电池堆组件1通过热交换器4连接的空气鼓风机5，空气经空气鼓风机5鼓入燃料电池堆组件1阴极侧，所述的热交换器4置于燃烧室3内，燃烧室3置于燃料电池堆组件1的中部；与空气鼓风机5、液体燃料罐2、燃烧室3内的电子打火燃烧装置连接的蓄电池6，蓄电池选用锂电池或镍氢电池。燃料电池堆组件的工作温度为400-950℃。
燃料电池堆组件1发电后得到的热尾气，输送至液体燃料罐2外的加热保温套7内对液体燃料罐进行辅助加热；燃料电池堆组件1与蓄电池6连接，给蓄电池进行充电。
燃料电池堆组件1的每个单元电池的上端是阴极，阴极的下方是电解质层，电解质层下方是阳极层，连接体将前一个单元电池的阳极与临近电池的阴极电连接组成一个单元电池堆。
本实用新型的启动使用过程如下：开启燃料罐2控制阀后，燃料罐2中挥发性燃料气体自动流经燃料电池堆组件1进入燃烧室3，电子打火(蓄电池6为电源)燃烧，由空气鼓风机5鼓入的空气通过热交换器4被加热，流入燃料电池堆组件1的电池阴极侧，把燃料电池堆1加热到工作温度(400-950℃)，燃料电池堆组件1开始发电，燃料逐步消耗，残余燃料不断的完全燃烧，燃料电池堆组件1发电后得到的热尾气(是CO2+H2O混合物)将燃料罐2加热，然后流出系统之外。

Claims (5)

1.一种固体氧化物燃料电池电源装置系统，其特征在于：包括燃料电池堆组件，
与所述的燃料电池堆组件连接的液体燃料罐，液体燃料罐中的挥发性燃料气体经燃料电池堆组件阳极侧流经燃料电池堆组件，进入燃烧室进行电子打火燃烧；
与所述的燃料电池堆组件通过热交换器连接的空气鼓风机，空气经空气鼓风机鼓入燃料电池堆组件阴极侧；
与所述的空气鼓风机、液体燃料罐、燃烧室内的电子打火燃烧装置连接的蓄电池。
2.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池电源装置系统，其特征在于：所述的燃料电池堆组件发电后得到的热尾气，输送至液体燃料罐外的加热保温套内对液体燃料罐进行辅助加热；所述的燃料电池堆组件与蓄电池连接，给蓄电池进行充电；所述的热交换器置于燃烧室内，燃烧室置于燃料电池堆组件的中部。
3.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池电源装置系统，其特征在于：所述的燃料电池堆组件的每个单元电池的上端是阴极，阴极的下方是电解质层，电解质层下方是阳极层，连接体将前一个单元电池的阳极与临近电池的阴极电连接组成一个单元电池堆。
4.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池电源装置系统，其特征在于：所述的挥发性燃料气体选用甲醇、液氨或两者的混合物气体；所述的蓄电池选用锂电池或镍氢电池。
5.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池电源装置系统，其特征在于：所述的燃料电池堆组件的工作温度为400-950℃。
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