CN202004100U - 一种平板式鼓泡床固体氧化物直接碳燃料电池堆 - Google Patents
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Abstract
一种平板式鼓泡床固体氧化物直接碳燃料电池堆，属于直接碳燃料电池技术领域，包括鼓泡床、平板式燃料电池单体、布风板、固体碳燃料等部件。平板式燃料电池单体安装于鼓泡床四周壁面，阳极向内、阴极向外；燃料电池单体通过集流导线构成串、并联结构，保证电池堆所需工作电压、电流；布风板安装在鼓泡床底部，固体碳燃料铺在布风板上，入口阳极载气通过布风板送入鼓泡床内，吹动固体碳燃料颗粒，使其处于鼓泡流态化状态；电池堆可采用阳极支撑、电解质支撑或阴极支撑型平板式燃料电池单体，其工作温度为600℃～1000℃。本实用新型结构紧凑合理，解决了平板式电池单体组堆的困难，同时实现了固体碳燃料的连续给料，设备要求低、易于实现。
Description
技术领域
本实用新型属于直接碳燃料电池技术领域，具体涉及一种平板式鼓泡床固体氧化物直接碳燃料电池堆，。
背景技术
能源是国民经济的支柱，是人类社会发展所必需的推动力。我国是世界上少数以煤为主要能源的国家，约占一次能源总量的70％以上，且在未来相当长的一段时期内，我国以煤炭为主的能源现状难以改变。与发达国家相比，我国燃煤发电利用效率较低，能源浪费和环境污染状况严重。因此，探索清洁、高效的煤炭利用方式势在必行。
目前，燃料电池是世界上清洁能源技术研究热点之一，它将燃料中的化学能直接转化为电能，具有能量转换效率高、洁净无污染、噪声低、模块结构性强等优点，有望成为未来能源供应系统的重要组成部分。其中，固体氧化物直接碳燃料电池(Solid Oxide Direct Carbon Fuel Cell，SO-DCFC)采用固体碳作为燃料，将其中的化学能直接转化为电能，其独特优势在于：理论效率更高；固体碳燃料体积小、热值高，有望通过对储量丰富的煤炭进行简单加工处理而得到，燃料来源广泛；高温下电解质为固态，避免了液体电解质的腐蚀与泄露；有利于二氧化碳的富集与减排。因此，如果固体氧化物直接碳燃料电池能够实现以煤为燃料的商业化应用，将革命性地改变传统能源利用方式，实现传统化石能源利用和燃料电池技术的完美结合，有力缓解我国油气资源紧张现状，提高能源利用效率，减轻CO2减排压力。因此，固体氧化物直接碳燃料电池发电技术的研究对能源技术进步和国家能源安全具有重要意义。
直接碳燃料电池的历史可以追述到19世纪末。1965年，Zahradnik等人最早提出将煤气化单元和高温固体氧化物燃料电池相结合的系统。1988年，Nakagawa等人将木炭置于固体氧化物燃料电池阳极腔体中，验证了这一过程。2003年，Chuang等人在单电池实验中采用固体氧化物电解质，将碳燃料颗粒放置于阳极表面，获得较好的电池性能。2007年，Gür等人提出采用管式固体氧化物燃料电池的流化床直接碳燃料电池设计，以加快反应器内的传热传质过程，改进电池性能。2009年，王绍荣等人在传统阳极支撑型管式固体氧化物燃料电池中装满商业炭黑，制备了一种直接碳燃料电池。受电池材料与技术发展限制，目前国内外固体氧化物直接碳燃料电池研究多停留在单电池设计和实验研究阶段，燃料电池堆设计较少。同时，与传统使用气体燃料的燃料电池不同，直接碳燃料电池在实际应用过程中面临着固体碳燃料的连续给料问题，给燃料电池堆的设计带来进一步困难。
固体氧化物燃料电池根据几何结构的不同常分为管式和平板式两种类型。其中，管式电池易于分割阴阳极腔体、密封简单，可通过对气体燃料电池堆结构的简单改造而得到直接碳燃料电池堆，因此，已有直接碳燃料电池堆设计思路中多采用管式固体氧化物燃料电池。而使用气体燃料的平板式燃料电池堆中阴、阳极腔体结构复杂、流道冗长，无法满足固体燃料的给料需求，目前尚未有相关报道。但是，与管式燃料电池相比，平板式燃料电池技术相对成熟，国内外相关研究最为广泛。因此，平板式固体氧化物直接碳燃料电池堆的设计对该技术发展就有重要意义。
此外，在直接碳燃料电池堆结构设计中，期望进一步改善阳极碳燃料传质过程、增大碳燃料反应速率，以进一步提高电池堆的性能，这一点可通过借鉴化工领域中较为成熟的鼓泡床技术实现。鼓泡床技术是在反应器底部安装布风板，当气体以一定速度流过布风板时，布风板上固体颗粒床料进入流化状态，气体以鼓泡方式通过床料，床料剧烈运动，可加速反应发生和传热传质过程。由于鼓泡床的独特优点，使得该技术在化工领域得到广泛应用。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种能够解决直接碳燃料电池采用平板式单体电池组堆的困难，以及固体碳燃料的连续给料问题；加强电池堆内部传热传质过程，提高电池堆整体性能；同时要求设备简单、易于实现，确保电池密封和集流，便于组成大规模电池组的平板式鼓泡床固体氧化物直接碳燃料电池堆。
为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：包括下端带有阳极载气入口、上端带有阳极载气出口的鼓泡床，在鼓泡床四周壁面上规则开设的与平板式燃料电池单体尺寸相匹配的矩形孔，平板式燃料电池单体安装于鼓泡床壁面开孔处，平板式燃料电池单体的阳极面向鼓泡床内部，阴极面向鼓泡床外部，各壁面平板式燃料电池单体的阴极、阳极依次与集流导线相连，在各壁面平板式燃料电池单体连接后鼓泡床四个壁面的平板式燃料电池单体再经集流导线串联组成电池堆引出电池堆正、负极输出导线，在鼓泡床的下端设置有布风板，布风板的上端铺设有固体碳燃料。
本实用新型的平板式燃料电池单体与鼓泡床壁面相结合处采用高温陶瓷胶密封。
所述的平板式燃料电池单体的阳极、阴极表面分别印有网格状集流银浆，集流导线通过焊接点与阴极、阳极表面的网格状集流银浆紧密接触。
所述的集流导线通过壁面导线孔穿过鼓泡床壁面，并用密封胶密封，鼓泡床各壁面垂直方向上的平板式燃料电池单体串联连接，串联后的各列平板式燃料电池单体在水平方向上并联。
所述的阳极载气出口通过载气再循环与阳极载气入口相连通。
所述的阳极载气为CO2、H2O、N2混合而成，其中H2O占0％～30％、CO2占0％～100％、N2占0％～100％；
所述固体碳燃料为石墨、炭黑、焦炭或煤。
所述的平板式燃料电池单体由阳极、阴极以及设置在阳极与阴极之间的电解质组成。
所述平板式燃料电池单体包括阳极支撑型、电解质支撑型或阴极支撑型平板式燃料电池单体；
所述的阳极支撑型平板式燃料电池单体的阳极最厚，起支撑作用，阴极和电解质相对较薄；阳极与电解质具有相同面积，阴极面积略小于阳极和电解质，其中电解质与鼓泡床壁面紧密接触；
所述的电解质支撑型平板式燃料电池单体的电解质最厚，起支撑作用，阴极和阳极相对较薄；电解质具有较大的面积，而阴极和阳极面积略小于电解质，电解质与鼓泡床壁面紧密接触；
所述的阴极支撑型平板式燃料电池单体的阴极最厚，起支撑作用，阳极和电解质相对较薄；阴极与电解质具有相同面积，而阳极面积略小于阴极和电解质，电解质与鼓泡床壁面紧密接触。
本实用新型的优点在于：使所有电池单体阳极公用同一腔体，解决直接碳燃料电池采用平板式单体电池组堆的困难；鼓泡床内固体碳燃料始终处于鼓泡流态化，加强电池堆内部传热传质过程，提高电池堆整体性能，特别是解决了固体碳燃料的连续给料问题；同时电池堆结构简单、设备要求低、易于实现，便于组成大规模电池组。
附图说明
图1是本实用新型的整体结构示意图。
图2是本实用新型壁面侧视结构示意图。
图3是本实用新型壁面外侧(阴极侧)结构示意图。
图4是本实用新型壁面内侧(阳极侧)结构示意图。
图5是实施例1中阳极支撑型平板式燃料电池单体及其连接结构示意图。
图6是实施例2中电解质支撑型平板式燃料电池单体及其连接结构示意图。
图7是实施例3中阴极支撑型平板式燃料电池单体及其连接结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步详细说明。
参见图1-4，本实用新型包括下端带有阳极载气入口5、上端带有阳极载气出口10的鼓泡床1，在鼓泡床1四周壁面上规则开设的与平板式燃料电池单体2尺寸相匹配的矩形孔，平板式燃料电池单体2由阳极14、阴极12以及设置在阳极14与阴极12之间的电解质17组成，平板式燃料电池单体2安装于鼓泡床1壁面开孔处，平板式燃料电池单体2的阳极14面向鼓泡床内部，阴极12面向鼓泡床外部，平板式燃料电池单体2与鼓泡床壁面11相结合处采用高温陶瓷胶18密封，平板式燃料电池单体2的阳极14、阴极12表面分别印有网格状集流银浆16，集流导线3通过焊接点15与阴极12、阳极14表面的网格状集流银浆16紧密接触，所述的集流导线3通过壁面导线孔13穿过鼓泡床壁面11，并用密封胶19密封，鼓泡床1各壁面垂直方向上的平板式燃料电池单体2串联连接，串联后的各列平板式燃料电池单体2在水平方向上并联，在各壁面平板式燃料电池单体2连接后鼓泡床1四个壁面的平板式燃料电池单体2再经集流导线3串联组成电池堆引出电池堆正、负极8、7输出导线，在鼓泡床1的下端设置有布风板4，布风板4的上端铺设有石墨、炭黑、焦炭或煤固体碳燃料9，阳极载气入口5通过布风板4将阳极载气送入鼓泡床1内，吹动固体碳燃料9颗粒，使鼓泡床1内的固体碳燃料9处于鼓泡流态化状态，反应后的阳极载气经阳极载气出口10从鼓泡床1顶部流出，或通过载气再循环6加以回收、循环利用。所述的阳极载气为CO2、H2O、N2混合而成，其中H2O占0％～30％、CO2占0％～100％、N2占0％～100％；该平板式鼓泡床固体氧化物直接碳燃料电池堆工作温度范围为600℃～1000℃。
工作时，通过布风板4的阳极载气吹动固体碳燃料9颗粒，使其处于鼓泡流态化状态。此时，电池堆内部(平板式固体氧化物直接碳燃料电池堆阳极侧)发生碳燃料气化反应和气体电化学反应，形成一定阳极气氛(含固体碳颗粒、一氧化碳、氢气等燃料)，同时鼓泡流态化也强化了固体碳燃料与电池阳极的接触和气体的传质过程。电池堆外部(平板式固体氧化物直接碳燃料电池堆阴极侧)直接接触空气，保证阴极气氛。当电池堆接有外部负载时，电池堆外部(阴极侧)氧气从外电路得到电子生成O2-，O2-在浓度差和电势差驱动下穿过电解质层到达阳极，在阳极与固体碳颗粒、一氧化碳、氢气等燃料发生电化学反应，同时向外电路放出电子，电子形成完整回路。
以下是实用新型人给出的具体实施例。这些实施例仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围。应理解，在阅读了本实用新型内容之后，本领域技术人员可以对本实用新型做各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1，参见图5，本实施例由48片阳极支撑型平板式燃料电池单体2组成，电池单体尺寸约10cm×10cm；采用粒径5mm～50μm的石墨作为固体碳燃料；阳极载气组分为纯CO2，反应后出口阳极载气70％用于循环再利用；电池堆工作温度为800℃。
鼓泡床四周壁面均开有3×4个(水平×垂直)约10cm×10cm的矩形孔，阳极支撑型平板式燃料电池单体2分别安装于鼓泡床壁面开孔处。平板式燃料电池单体2由阳极14、电解质17、阴极12三层结构组成。其中，阳极14最厚，起支撑作用，以保证电池单体机械强度；阴极12和电解质17相对较薄；阳极14与电解质17具有相同面积，而阴极12面积略小于阳极14和电解质17，以便于加工和密封。采用丝网印刷法在阴极12和阳极14表面分别印制网格状集流银浆16，集流导线3通过焊接点15与阴极12、阳极14表面的网格状集流银浆16紧密接触，用于协助电流收集。将阳极14面向鼓泡床1内部、阴极12面向鼓泡床1外部，从内侧安装于鼓泡床壁面11开孔处并对结合处进行密封，将平板式燃料电池单体2的电解质17与鼓泡床壁面11紧密接触，采用高温陶瓷胶18进行密封，密封过程中确保面积较小的阴极12不与鼓泡床壁面11发生接触。由于电解质17无法传导电子，而阴极12和阳极14均不与鼓泡床壁面11接触，实现了电池单体与鼓泡床壁面11的绝缘。通过集流导线3将各壁面垂直方向上燃料电池单体串联，串联后的各列平板式燃料电池单体2在水平方向上并联。在平板式燃料电池单体2串、并联过程中，集流导线3通过壁面导线孔13穿过鼓泡床壁面11，并用密封胶19进行密封、绝缘。在各壁面燃料电池单体连接后，再通过集流导线将鼓泡床四个壁面的电池进行串联组成电池堆，引出电池堆正、负极输出导线。布风板安装在鼓泡床底部，将石墨燃料铺在鼓泡床内布风板上，入口阳极载气通过布风板送入鼓泡床内，吹动石墨颗粒，使鼓泡床内的石墨燃料处于鼓泡流态化状态。反应后出口阳极载气从鼓泡床顶部流出，70％用于循环再利用。
本实施例能够保证平板式燃料电池单体2开路电压在0.9V以上。
实施例2，参见图6，本实施例由64片电解质支撑型平板式燃料电池单体2组成，电池单体尺寸约8cm×8cm；采用粒径5mm～100μm的炭黑作为固体碳燃料；阳极载气组分为70％CO2+30％H2O，反应后出口阳极载气50％用于循环再利用；电池堆工作温度为900℃。
鼓泡床四周壁面均开有4×4个(水平×垂直)约8cm×8cm的矩形孔，电解质支撑型平板式燃料电池单体2分别安装于鼓泡床壁面开孔处。其中电解质17最厚，起支撑作用，阴极12和阳极14相对较薄；电解质17具有较大的面积，而阴极12和阳极14面积略小于电解质17，电解质17与鼓泡床壁面11紧密接触；其它连接关系同实施例1。本实施例能够保证平板式燃料电池单体2开路电压在0.9V以上。
实施例3，参见图7，本实施例由100片阴极支撑型平板式燃料电池单体2组成，电池单体尺寸约9cm×9cm；采用粒径5mm～200μm的煤作为固体碳燃料；阳极载气组分为50％CO2+30％H2O+20％N2，反应后出口阳极载气直接排空；电池堆工作温度为1000℃。
鼓泡床四周壁面均开有5×5个(水平×垂直)约9cm×9cm的矩形孔，阴极支撑型平板式燃料电池单体2分别安装于鼓泡床壁面开孔处。其中阴极12最厚，起支撑作用，阳极14和电解质17相对较薄；阴极12与电解质17具有相同面积，而阳极14面积略小于阴极12和电解质17，电解质17与鼓泡床壁面11紧密接触。其它连接关系同实施例1。本实施例能够保证平板式燃料电池单体2开路电压在0.9V以上。
Claims (9)
1.一种平板式鼓泡床固体氧化物直接碳燃料电池堆，其特征在于：包括下端带有阳极载气入口(5)、上端带有阳极载气出口(10)的鼓泡床(1)，在鼓泡床(1)四周壁面上规则开设的与平板式燃料电池单体(2)尺寸相匹配的矩形孔，平板式燃料电池单体(2)安装于鼓泡床(1)壁面开孔处，平板式燃料电池单体(2)的阳极(14)面向鼓泡床内部，阴极(12)面向鼓泡床外部，各壁面平板式燃料电池单体(2)的阴极(12)、阳极(14)依次与集流导线(3)相连，在各壁面平板式燃料电池单体(2)连接后鼓泡床(1)四个壁面的平板式燃料电池单体(2)再经集流导线(3)串联组成电池堆引出电池堆正、负极(8、7)输出导线，在鼓泡床(1)的下端设置有布风板(4)，布风板(4)的上端铺设有固体碳燃料(9)。
2.根据权利要求1所述的平板式鼓泡床固体氧化物直接碳燃料电池堆，其特征在于：所述的平板式燃料电池单体(2)与鼓泡床壁面(11)相结合处采用高温陶瓷胶(18)密封。
3.根据权利要求1所述的平板式鼓泡床固体氧化物直接碳燃料电池堆，其特征在于：所述的平板式燃料电池单体(2)的阳极(14)、阴极(12)表面分别印有网格状集流银浆(16)，集流导线(3)通过焊接点(15)与阴极(12)、阳极(14)表面的网格状集流银浆(16)紧密接触。
4.根据权利要求1所述的平板式鼓泡床固体氧化物直接碳燃料电池堆，其特征在于：所述的集流导线(3)通过壁面导线孔(13)穿过鼓泡床壁面(11)，并用密封胶(19)密封，鼓泡床(1)各壁面垂直方向上的平板式燃料电池单体(2)串联连接，串联后的各列平板式燃料电池单体(2)在水平方向上并联。
5.根据权利要求1所述的平板式鼓泡床固体氧化物直接碳燃料电池堆，其特征在于：所述的阳极载气出口(10)通过载气再循环(6)与阳极载气入口(5)相连通。
6.根据权利要求1所述的平板式鼓泡床固体氧化物直接碳燃料电池堆，其特征在于：所述的阳极载气为CO2、H2O、N2混合而成，其中H2O占0％～30％、CO2占0％～100％、N2占0％～100％；
7.根据权利要求1所述的平板式鼓泡床固体氧化物直接碳燃料电池堆，其特征在于：所述固体碳燃料(9)为石墨、炭黑、焦炭或煤。
8.根据权利要求1所述的平板式鼓泡床固体氧化物直接碳燃料电池堆，其特征在于：所述的平板式燃料电池单体(2)由阳极(14)、阴极(12)以及设置在阳极(14)与阴极(12)之间的电解质(17)组成。
9.根据权利要求8所述的板式鼓泡床固体氧化物直接碳燃料电池堆，其特征在于：所述平板式燃料电池单体(2)包括阳极支撑型、电解质支撑型或阴极支撑型平板式燃料电池单体；
所述的阳极支撑型平板式燃料电池单体(2)的阳极(14)最厚，起支撑作用，阴极(12)和电解质(17)相对较薄；阳极(14)与电解质(17)具有相同面积，阴极(12)面积略小于阳极(14)和电解质(17)，其中电解质(17)与鼓泡床壁面(11)紧密接触；
所述的电解质支撑型平板式燃料电池单体(2)的电解质(17)最厚，起支撑作用，阴极(12)和阳极(14)相对较薄；电解质(17)具有较大的面积，而阴极(12)和阳极(14)面积略小于电解质(17)，电解质(17)与鼓泡床壁面(11)紧密接触；
所述的阴极支撑型平板式燃料电池单体(2)的阴极(12)最厚，起支撑作用，阳极(14)和电解质(17)相对较薄；阴极(12)与电解质(17)具有相同面积，而阳极(14)面积略小于阴极(12)和电解质(17)，电解质(17)与鼓泡床壁面(11)紧密接触。
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| CN2011200872242U CN202004100U (zh) | 2011-03-29 | 2011-03-29 | 一种平板式鼓泡床固体氧化物直接碳燃料电池堆 |
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Cited By (1)
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| CN102170009A (zh) * | 2011-03-29 | 2011-08-31 | 中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司 | 一种平板式鼓泡床固体氧化物直接碳燃料电池堆 |
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2011
- 2011-03-29 CN CN2011200872242U patent/CN202004100U/zh not_active Expired - Lifetime
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN102170009A (zh) * | 2011-03-29 | 2011-08-31 | 中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司 | 一种平板式鼓泡床固体氧化物直接碳燃料电池堆 |
| CN102170009B (zh) * | 2011-03-29 | 2012-12-19 | 中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司 | 一种平板式鼓泡床固体氧化物直接碳燃料电池堆 |
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