CN205264808U - 一种实验室用固体氧化物燃料电池 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种实验室用固体氧化物燃料电池，包括阳极进气管、阴极进气管、阳极排气管、阴极排气管、第一气瓶、第二气瓶、阴极不锈钢圆台和阳极筒，以及用于固定阳极进气管、阴极进气管、阳极排气管和阴极排气管的圆盘，所述圆盘位于阳极筒上方，阴极不锈钢圆台位于阳极筒下方，所述阳极筒两端均开口，阳极筒的上端开口处设置有密封塞，阳极筒的底部设置有电解质片。本实用新型的固体氧化物燃料电池结构简单，设计新颖合理，实现方便，实用性强，使用效果好，具有很深的现实研究意义，可用于对固体碳燃料的电化学性能进行评价，并且具有重复使用和进行重复对比实验的特点。
Description
技术领域
本实用新型属于燃料电池技术领域，具体涉及一种实验室用固体氧化物燃料电池。
背景技术
煤炭是我国的主要能源，长期以来占一次能源消费总量的70％左右，而且这种以煤为主体的能源结构将在未来相当长时期内难以改变，预计2010-2050年的总消费量在1000亿吨标准煤以上。目前我国煤炭的主要利用方式是直接燃烧用于发电和工业供热，其能量转化效率低、污染严重。随着生态环境问题的恶化、资源制约的日益加剧以及能源资源竞争的日趋激烈，对不可再生资源可持续发展、对煤炭资源的高效利用越来越凸显其重要的战略意义。
燃料电池因能量转化效率高、污染低被认为是最具有发展前景的发电装置。直接碳燃料电池(DCFC)因能直接利用含碳固体作为燃料，其理论能量转化效率高，固体碳能量密度高等特点而倍受青睐。DCFC是将固体含碳物质中化学能直接转化为电能的一种发电装置，其工作原理可简单表达为方程式(1)：
C+O2＝CO2，E＝1.02V(1)
即固体含碳物中的碳在电池阳极发生电化学氧化生成CO2并释放电子，阴极氧化剂O2得到电子被还原。
在直接碳燃料电池的研究中，因电解质的不同出现了三类DCFC：以熔融氢氧化物为电解质的DCFC，以熔融碳酸盐为电解质的DCFC以及以固体氧化物为电解质的DCFC，而固体氧化物电解质因具有耐腐蚀性强、使用寿命长、稳定性好等优点而被成功用于DCFC。
考虑到燃料电池电解质的工作温度，氢氧化物电解质DCFC的操作温度在500℃～600℃，熔融碳酸盐电解质的DCFC操作温度在800℃，固体氧化物DCFC的操作温度在700℃～900℃。美国科学应用与研究协会(SARA)提出了一种以碳棒为阳极的非常规结构设计，利用熔融氢氧化物为电解质，其设计目标是将电池阴极作为熔融电解质的容器，电池结构为圆筒形或方形，加湿过的氧气从电池底部通入。以氢氧化物为电解质时，阳极尾气CO2与电解质反应消耗电解质而降低电池寿命；
为了设计能够连续进料的电池设备，Cooper所在的劳伦斯里弗莫尔国家实验室设计了以32％Li2CO3–68％K2CO3为电解质，多层ZrO毡为隔膜的倾角DCFC，其水平倾角为5°～45°。因为这种倾角设计可以使阳极浆状碳燃料反应后多余的熔融电解质流出，避免了阴极电解质液泛现象。如果将电极单元组合叠加，能够形成电池组。以碳酸盐为电解质，因其强烈的腐蚀性造成电池寿命降低；固体氧化物电解质DCFC操作温度较高，对电池材料要求较高。
英国安德鲁斯大学设计了管状电池模型，该电池将铂阴极粘结在管状的YSZ内表面，将电解质管浸入到碳酸盐与碳燃料的混合液中，利用镍网作阳极；斯坦福研究中心的Balachov等人结合MCFC和SOFC技术设计了熔融碳酸盐阳极DCFC结构。它的关键部件是U管的设计，它包含内、外管设计，其中熔融盐为阳极扩展区域，碳燃料分散在熔融盐里，
美国清洁煤能源技术中心在斯坦福大学的研究基础上提出了流化床设计的直接碳燃料电池的概念，该设计是将流化床与SOFC技术联合。
各种电池设计概念是基于工业应用的基础上提出的，但对DCFC的研究尚处于实验室研究过程，DCFC的基础理论研究显得尤为重要，设计一种操作方便，对比性强的实验装置十分必要。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种实验室用固体氧化物燃料电池。该固体氧化物燃料电池结构简单，设计新颖合理，实现方便，实用性强，使用效果好，可用于对固体碳燃料的电化学性能进行评价，并且具有重复使用和进行重复对比实验的特点。
为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种实验室用固体氧化物燃料电池，其特征在于，包括阳极进气管、阴极进气管、阳极排气管、阴极排气管、第一气瓶、第二气瓶、阴极不锈钢圆台和阳极筒，以及用于固定阳极进气管、阴极进气管、阳极排气管和阴极排气管的圆盘，所述圆盘位于阳极筒上方，阴极不锈钢圆台位于阳极筒下方，所述阳极筒两端均开口，阳极筒的上端开口处设置有密封塞，阳极筒的底部设置有电解质片，所述阳极进气管的一端与阳极筒相连通，阳极进气管的另一端穿过圆盘与第一气瓶相连通，所述阳极排气管的一端与阳极筒相连通，阳极排气管的另一端穿过圆盘与阳极排气管路连接，所述阴极不锈钢圆台上设置有凹坑，阴极进气管的一端穿入阴极不锈钢圆台并从所述凹坑的底部穿出，阴极进气管的另一端穿过圆盘与第二气瓶相连通，所述阴极排气管的一端穿入阴极不锈钢圆台并从所述凹坑的底部穿出，阴极排气管的另一端穿过圆盘与阴极排气管路连接，所述电解质片位于所述凹坑的正上方且电解质片压紧于阳极筒与阴极不锈钢圆台之间，所述电解质片的外周设置有用于密封阳极筒与电解质片的接触部位和电解质片与阴极不锈钢圆台的接触部位的密封层。
上述的一种实验室用固体氧化物燃料电池，其特征在于，所述阳极进气管与第一气瓶之间通过阳极气体管路相连通，所述阴极进气管与第二气瓶之间通过阴极气体管路相连通。
上述的一种实验室用固体氧化物燃料电池，其特征在于，所述阳极气体管路上设置有第一流量计，阴极气体管路上设置有第二流量计。
上述的一种实验室用固体氧化物燃料电池，其特征在于，所述阴极进气管穿出凹坑底部的一端端部和阴极排气管穿出凹坑底部的一端端部均位于电解质片下方且与电解质片间隙设置。
上述的一种实验室用固体氧化物燃料电池，其特征在于，所述阳极进气管、阴极进气管、阳极排气管和阴极排气管均通过螺丝固定安装于圆盘上。
上述的一种实验室用固体氧化物燃料电池，其特征在于，所述圆盘的数量为两个，两个所述圆盘垂直分布且两个所述圆盘之间设置有张紧弹簧。
上述的一种实验室用固体氧化物燃料电池，其特征在于，所述阳极排气管路远离阳极排气管的一端连接有阳极尾气检测器，所述阴极排气管路远离阴极排气管的一端连接有阴极尾气检测器。
上述的一种实验室用固体氧化物燃料电池，其特征在于，所述电解质片为固体氧化物电解质片。
上述的一种实验室用固体氧化物燃料电池，其特征在于，所述阳极筒、密封塞和电解质片形成用于盛装固体燃料的阳极室。
本实用新型与现有技术相比具有以下优点：
1、本实用新型的固体氧化物燃料电池结构简单，设计新颖合理，实现方便，实用性强，使用效果好，具有很深的现实研究意义。
2、本实用新型的固体氧化物燃料电池可用于对固体碳燃料的电化学性能进行评价，并且具有重复使用和进行重复对比实验的特点。
3、本实用新型的固体氧化物燃料电池利用电解质片将电池的阴极和阳极气体分离，实现固体碳燃料的化学能向电能直接转化。
4、本实用新型的固体氧化物燃料电池阳极室采用密封塞密封，可通过开启密封塞对固体碳燃料进行更换，容易实现对比试验。
下面结合附图和实施例，对本实用新型的技术方案作进一步的详细说明。
附图说明
图1为本实用新型固体氧化物燃料电池的结构示意图。
图2为本实用新型阴极进气管、阴极排气管和阴极不锈钢圆台的位置关系示意图。
图3为本实用新型固体氧化物燃料电池去除密封层的结构示意图。
附图标记说明：
1—阳极进气管；2—阴极进气管；3—阳极排气管；
4—阴极排气管；5—阳极筒；6—阴极不锈钢圆台；
7—密封塞；8—圆盘；9—电解质片；
10—张紧弹簧；11—阳极气体管路；12—第一流量计；
13—阴极气体管路；14—第二流量计；15—阳极排气管路；
16—阴极排气管路；17—阳极尾气检测器；18—阴极尾气检测器；
19—第一气瓶；20—第二气瓶；21—密封层；
22—螺丝；23—凹坑。
具体实施方式
如图1和图2所示，本实用新型的固体氧化物燃料电池，包括阳极进气管1、阴极进气管2、阳极排气管3、阴极排气管4、第一气瓶19、第二气瓶20、阴极不锈钢圆台6和阳极筒5，以及用于固定阳极进气管1、阴极进气管2、阳极排气管3和阴极排气管4的圆盘8，所述圆盘8位于阳极筒5上方，阴极不锈钢圆台6位于阳极筒5下方，所述阳极筒5两端均开口，阳极筒5的上端开口处设置有密封塞7，阳极筒5的底部设置有电解质片9，所述阳极进气管1的一端与阳极筒5相连通，阳极进气管1的另一端穿过圆盘8与第一气瓶19相连通，所述阳极排气管3的一端与阳极筒5相连通，阳极排气管3的另一端穿过圆盘8与阳极排气管路15连接，所述阴极不锈钢圆台6上设置有凹坑23，阴极进气管2的一端穿入阴极不锈钢圆台6并从凹坑23的底部穿出，阴极进气管2的另一端穿过圆盘8与第二气瓶20相连通，所述阴极排气管4的一端穿入阴极不锈钢圆台6并从凹坑23的底部穿出，阴极排气管4的另一端穿过圆盘8与阴极排气管路16连接，所述电解质片9位于凹坑23的正上方且电解质片9压紧于阳极筒5与阴极不锈钢圆台6之间，所述电解质片9的外周设置有用于密封阳极筒5与电解质片9的接触部位和电解质片9与阴极不锈钢圆台6的接触部位的密封层21。
本实施例中，所述阳极进气管1与第一气瓶19之间通过阳极气体管路11相连通，所述阴极进气管2与第二气瓶20之间通过阴极气体管路13相连通。
本实施例中，所述阳极气体管路11上设置有第一流量计12，阴极气体管路13上设置有第二流量计14。
本实施例中，所述阴极进气管2穿出凹坑23底部的一端端部和阴极排气管4穿出凹坑23底部的一端端部均位于电解质片9下方且与电解质片9间隙设置。
本实施例中，所述阳极进气管1、阴极进气管2、阳极排气管3和阴极排气管4均通过螺丝22固定安装于圆盘8上。
本实施例中，所述圆盘8的数量为两个，两个所述圆盘8垂直分布且两个所述圆盘8之间设置有张紧弹簧10。
本实施例中，所述阳极排气管路15远离阳极排气管3的一端连接有阳极尾气检测器17，所述阴极排气管路16远离阴极排气管4的一端连接有阴极尾气检测器18。
本实施例中，所述电解质片9为固体氧化物电解质片。
本实施例中，所述阳极筒5、密封塞7和电解质片9形成用于盛装固体燃料的阳极室。
本实施例中，所述固体燃料为固体碳燃料。
本实用新型的固体氧化物燃料电池的工作过程为：打开密封塞7，将固体碳燃料装入阳极筒5内，然后塞紧密封塞7使阳极室密封，通过阴极进气管2向凹坑23内通入阴极气体(空气或氧气)，通入的阴极气体与电解质片9接触反应，反应后的残余的气体通过阴极排气管4排出后进入阴极尾气检测器18(气相色谱等检测设备)中进行检测，通过阳极进气管1向阳极室中通入阳极气体(氩气、二氧化碳、氢气或一氧化碳等)，阳极室残余的气体通过阳极排气管3排出后进入阳极尾气检测器17(气相色谱等检测设备)中进行检测。
本实用新型的固体氧化物燃料电池在阴极实现氧还原，反应原理如下：O2+4e＝2O2-；
在阳极实现碳氧化，反应原理如下：C+2O2-＝CO2+4e；
本实用新型的固体氧化物燃料电池总反应原理可用如下化学反应式表示：C+O2＝2CO2。
以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何限制，凡是根据本实用新型技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本实用新型技术方案的保护范围内。
Claims (9)
1.一种实验室用固体氧化物燃料电池，其特征在于，包括阳极进气管(1)、阴极进气管(2)、阳极排气管(3)、阴极排气管(4)、第一气瓶(19)、第二气瓶(20)、阴极不锈钢圆台(6)和阳极筒(5)，以及用于固定阳极进气管(1)、阴极进气管(2)、阳极排气管(3)和阴极排气管(4)的圆盘(8)，所述圆盘(8)位于阳极筒(5)上方，阴极不锈钢圆台(6)位于阳极筒(5)下方，所述阳极筒(5)两端均开口，阳极筒(5)的上端开口处设置有密封塞(7)，阳极筒(5)的底部设置有电解质片(9)，所述阳极进气管(1)的一端与阳极筒(5)相连通，阳极进气管(1)的另一端穿过圆盘(8)与第一气瓶(19)相连通，所述阳极排气管(3)的一端与阳极筒(5)相连通，阳极排气管(3)的另一端穿过圆盘(8)与阳极排气管路(15)连接，所述阴极不锈钢圆台(6)上设置有凹坑(23)，阴极进气管(2)的一端穿入阴极不锈钢圆台(6)并从凹坑(23)的底部穿出，阴极进气管(2)的另一端穿过圆盘(8)与第二气瓶(20)相连通，所述阴极排气管(4)的一端穿入阴极不锈钢圆台(6)并从凹坑(23)的底部穿出，阴极排气管(4)的另一端穿过圆盘(8)与阴极排气管路(16)连接，所述电解质片(9)位于凹坑(23)的正上方且电解质片(9)压紧于阳极筒(5)与阴极不锈钢圆台(6)之间，所述电解质片(9)的外周设置有用于密封阳极筒(5)与电解质片(9)的接触部位和电解质片(9)与阴极不锈钢圆台(6)的接触部位的密封层(21)。
2.根据权利要求1所述的一种实验室用固体氧化物燃料电池，其特征在于，所述阳极进气管(1)与第一气瓶(19)之间通过阳极气体管路(11)相连通，所述阴极进气管(2)与第二气瓶(20)之间通过阴极气体管路(13)相连通。
3.根据权利要求2所述的一种实验室用固体氧化物燃料电池，其特征在于，所述阳极气体管路(11)上设置有第一流量计(12)，阴极气体管路(13)上设置有第二流量计(14)。
4.根据权利要求1所述的一种实验室用固体氧化物燃料电池，其特征在于，所述阴极进气管(2)穿出凹坑(23)底部的一端端部和阴极排气管(4)穿出凹坑(23)底部的一端端部均位于电解质片(9)下方且与电解质片(9)间隙设置。
5.根据权利要求1所述的一种实验室用固体氧化物燃料电池，其特征在于，所述阳极进气管(1)、阴极进气管(2)、阳极排气管(3)和阴极排气管(4)均通过螺丝(22)固定安装于圆盘(8)上。
6.根据权利要求1所述的一种实验室用固体氧化物燃料电池，其特征在于，所述圆盘(8)的数量为两个，两个所述圆盘(8)垂直分布且两个所述圆盘(8)之间设置有张紧弹簧(10)。
7.根据权利要求1所述的一种实验室用固体氧化物燃料电池，其特征在于，所述阳极排气管路(15)远离阳极排气管(3)的一端连接有阳极尾气检测器(17)，所述阴极排气管路(16)远离阴极排气管(4)的一端连接有阴极尾气检测器(18)。
8.根据权利要求1所述的一种实验室用固体氧化物燃料电池，其特征在于，所述电解质片(9)为固体氧化物电解质片。
9.根据权利要求1所述的一种实验室用固体氧化物燃料电池，其特征在于，所述阳极筒(5)、密封塞(7)和电解质片(9)形成用于盛装固体燃料的阳极室。
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| CN107437636A (zh) * | 2016-05-26 | 2017-12-05 | 中国科学院上海应用物理研究所 | 一种高温熔盐电池 |
| CN109192020A (zh) * | 2018-10-30 | 2019-01-11 | 常州工学院 | 一种高温燃料电池教学仪器 |
| CN113578000A (zh) * | 2021-07-21 | 2021-11-02 | 东南大学 | 使用燃料电池处理氧化亚氮尾气的方法及装置 |
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| CN107437636B (zh) * | 2016-05-26 | 2018-08-24 | 中国科学院上海应用物理研究所 | 一种高温熔盐电池 |
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