直接火焰固体氧化物燃料电池装置及其工作方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种直接火焰固体氧化物燃料电池装置和所述直接火焰固体氧化物燃料电池装置的工作方法，所述直接火焰固体氧化物燃料电池装置包括：壳体，壳体内具有容纳腔；隔板，隔板设在容纳腔内且将容纳腔分隔为含氧气体供应区和位于含氧气体供应区的上方的反应区，其中含氧气体供应区的壁上设有含氧气体进口，反应区的壁上设有燃料和含氧气体进口；和燃料电池，燃料电池包括：电解质层，电解质层竖直地设在反应区内，电解质层的下部穿过隔板且伸入到含氧气体供应区内，电解质层内具有上端和下端均敞开的空腔；以及阴极和阳极，阴极竖直地设在电解质层的内周面上，阳极竖直地设在电解质层的外周面上。根据本发明专利技术实施例的直接火焰固体氧化物燃料电池装置具有燃料利用率高、电池性能好、能够对外提供热能等优点。

【技术实现步骤摘要】
直接火焰固体氧化物燃料电池装置
本专利技术涉及直接火焰固体氧化物燃料电池装置。
技术介绍
固体氧化物燃料电池(SOFC)在高温下将燃料的化学能直接转化为电能，是一种清洁高效的发电装置。传统的SOFC采用双室构型，将燃料和氧化剂分别通入阳极、阴极两个气室中，以实现较高的发电效率；但双室SOFC存在高温下的密封问题，增大制造成本。日本神钢电机株式会社的Horiuchi等研究者首次提出了结构更为简单的“无室”直接火焰SOFC构型。在SOFC阳极侧，利用富燃火焰产生CO和H2，为SOFC提供燃料，同时火焰放热维持SOFC工作温度。与双室SOFC相比，直接火焰SOFC主要优势在于：(1)广泛的燃料适应性；(2)装置结构简单，无需密封；(3)火焰作为启动热源，启动快速。这些优点使直接火焰SOFC成为一类具有重要应用前景的SOFC新构型，特别有望应用于热电联产等领域。但是，现有的直接火焰SOFC存在燃料利用率低的缺陷。
技术实现思路
本专利技术旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本专利技术提出一种具有燃料利用率高的优点的直接火焰固体氧化物燃料电池装置。本专利技术还提出一种所述直接火焰固体氧化物燃料电池装置的工作方法。根据本专利技术第一方面实施例的直接火焰固体氧化物燃料电池装置包括：壳体，所述壳体内具有容纳腔；隔板，所述隔板设在所述容纳腔内且将所述容纳腔分隔为含氧气体供应区和位于所述含氧气体供应区的上方的反应区，其中所述含氧气体供应区的壁上设有含氧气体进口，所述反应区的壁上设有燃料和含氧气体进口；和燃料电池，所述燃料电池包括：电解质层，所述电解质层为圆筒状，竖直地设在所述反应区内，所述电解质层的下部穿过所述隔板且伸入到所述含氧气体供应区内，所述电解质层内具有上端和下端均敞开的空腔；以及阴极和阳极，所述阴极竖直地设在所述电解质层的内周面上，所述阳极竖直地设在所述电解质层的外周面上。另外，根据本专利技术上述实施例的直接火焰固体氧化物燃料电池装置还可以具有如下附加的技术特征：根据本专利技术的一个实施例，所述直接火焰固体氧化物燃料电池装置进一步包括：下多孔陶瓷层，所述下多孔陶瓷层设在所述反应区内且与所述燃料和含氧气体进口相对，所述下多孔陶瓷层上方形成富燃火焰区；和上多孔陶瓷层，所述上多孔陶瓷层设在所述反应区内，所述燃料电池的上端邻近所述上多孔陶瓷层的下端，所述上多孔陶瓷层内形成燃尽区。根据本专利技术的一个实施例，所述直接火焰固体氧化物燃料电池装置进一步包括多孔金属层，所述多孔金属层设在所述反应区内且在上下方向上位于所述上多孔陶瓷层和所述下多孔陶瓷层之间。根据本专利技术的一个实施例，所述多孔金属层的下表面与所述下多孔陶瓷层的上表面接触，所述多孔金属层的上表面与所述上多孔陶瓷层的下表面接触。根据本专利技术的一个实施例，所述富燃火焰区的一部分位于所述下多孔陶瓷层内，所述富燃火焰区的其余部分位于所述多孔金属层内。根据本专利技术的一个实施例，所述阴极和所述阳极位于所述多孔金属层内，所述阴极的下端和所述阳极的下端位于所述富燃火焰区的上方，所述阴极的上端和所述阳极的上端伸入所述上多孔陶瓷层内。根据本专利技术的一个实施例，所述直接火焰固体氧化物燃料电池装置进一步包括保温层，所述保温层设在所述容纳腔内，所述保温层绕所述下多孔陶瓷层、所述上多孔陶瓷层和所述多孔金属层设置。根据本专利技术的一个实施例，所述燃料电池为多个，多个所述燃料电池间隔开地设置。根据本专利技术的一个实施例，所述直接火焰固体氧化物燃料电池装置进一步包括：雾化器；和预混器，所述预混器内具有预混腔，所述预混腔的壁上设有雾化燃料进口、含氧气体进口和出口，所述预混腔的雾化燃料进口与所述雾化器的出口连通，所述预混腔的出口与所述燃料和含氧气体进口连通。根据本专利技术的一个实施例，所述含氧气体进口为多个，所述燃料和含氧气体进口为多个。根据本专利技术第二方面实施例的直接火焰固体氧化物燃料电池装置的工作方法包括以下步骤：燃料和含氧气体的混合物经由燃料和含氧气体进口进入到所述反应区内，燃料和含氧气体的混合物经过点火后在所述反应区内燃烧，并产生H2和CO以便为所述燃料电池提供燃料；含氧气体经由含氧气体进口进入到所述含氧气体供应区内，进而进入到所述燃料电池的空腔内以便为所述燃料电池提供氧化剂；H2和CO由下往上顺流掠过所述燃料电池的阳极，含氧气体由下往上顺流掠过所述燃料电池的阴极，所述燃料电池消耗H2、CO和含氧气体进行发电；未被所述燃料电池利用的H2和CO与离开所述空腔的含氧气体在所述燃料电池的上方进行完全燃烧，以便提供热量。附图说明图1是根据本专利技术的一个实施例的直接火焰固体氧化物燃料电池装置的结构示意图；图2是根据本专利技术的另一个实施例的直接火焰固体氧化物燃料电池装置的结构示意图；图3是根据本专利技术的再一个实施例的直接火焰固体氧化物燃料电池装置的结构示意图；图4是根据本专利技术实施例的直接火焰固体氧化物燃料电池装置的燃料电池的结构示意图。具体实施方式下面详细描述本专利技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本专利技术，而不能理解为对本专利技术的限制。下面参考附图描述根据本专利技术实施例的直接火焰固体氧化物燃料电池装置10。如图1-图4所示，根据本专利技术实施例的直接火焰固体氧化物燃料电池装置10包括壳体101、隔板102和燃料电池103。壳体101内具有容纳腔1011。隔板102设在容纳腔1011内，隔板102将容纳腔1011分隔为含氧气体供应区1012和位于含氧气体供应区1012的上方的反应区1013。其中，含氧气体供应区1012的壁上设有含氧气体进口，反应区1013的壁上设有燃料和含氧气体进口。换言之，含氧气体通过该含氧气体进口进入到含氧气体供应区1012内，燃料和含氧气体通过该燃料和含氧气体进口进入到反应区1013内。燃料电池103包括电解质层1031、阴极1032和阳极1033。电解质层1031竖直地设在反应区1013内，电解质层1031的下部穿过隔板102且伸入到含氧气体供应区1012内，电解质层1031内具有上端和下端均敞开的空腔103。也就是说，空腔103与含氧气体供应区1012连通。阴极1032竖直地设在电解质层1031的内周面上，阳极1033竖直地设在电解质层1031的外周面上。换言之，燃料电池103竖直地设置。下面参考图1-图4描述根据本专利技术实施例的直接火焰固体氧化物燃料电池装置10的工作方法。燃料和含氧气体的混合物经由该燃料和含氧气体进口进入到反应区1013内，燃料和含氧气体的混合物经过点火后在反应区1013内燃烧以便形成富燃火焰区，并产生H2和CO，以便为燃料电池103提供燃料。含氧气体经由该含氧气体进口进入到含氧气体供应区1012内，进而进入到空腔103内以便为燃料电池103提供氧化剂。燃料电池103消耗H2、CO和含氧气体进行发电。由于H2和CO(火焰尾气)由下往上顺流掠过竖直设置的阳极1033，从而可以提高直接火焰固体氧化物燃料电池装置10的燃料利用率和电池性能。未被燃料电池103利用的H2和CO与离开空腔103的含氧气体在燃料电池103的上方进行完全燃烧以便形成燃尽区，以便提供热量。换言之，反应区1013内具有富燃火焰区和位于燃料电池103的上方的燃尽区。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种直接火焰固体氧化物燃料电池装置，其特征在于，包括：壳体，所述壳体内具有容纳腔；隔板，所述隔板设在所述容纳腔内且将所述容纳腔分隔为含氧气体供应区和位于所述含氧气体供应区的上方的反应区，其中所述含氧气体供应区的壁上设有含氧气体进口，所述反应区的壁上设有燃料和含氧气体进口；和燃料电池，所述燃料电池包括：电解质层，所述电解质层竖直地设在所述反应区内，所述电解质层的下部穿过所述隔板且伸入到所述含氧气体供应区内，所述电解质层内具有上端和下端均敞开的空腔；以及阴极和阳极，所述阴极竖直地设在所述电解质层的内周面上，所述阳极竖直地设在所述电解质层的外周面上。

【技术特征摘要】
1.一种直接火焰固体氧化物燃料电池装置，其特征在于，包括：壳体，所述壳体内具有容纳腔；隔板，所述隔板设在所述容纳腔内且将所述容纳腔分隔为含氧气体供应区和位于所述含氧气体供应区的上方的反应区，其中所述含氧气体供应区的壁上设有含氧气体进口，所述反应区的壁上设有燃料和含氧气体进口；燃料电池，所述燃料电池包括：电解质层，所述电解质层为圆筒状，竖直地设在所述反应区内，所述电解质层的下部穿过所述隔板且伸入到所述含氧气体供应区内，所述电解质层内具有空腔且所述空腔的上端和下端均敞开；以及阴极和阳极，所述阴极竖直地设在所述电解质层的内周面上，所述阳极竖直地设在所述电解质层的外周面上；下多孔陶瓷层，所述下多孔陶瓷层设在所述反应区内且与所述燃料和含氧气体进口相对，所述下多孔陶瓷层上方形成富燃火焰区；和上多孔陶瓷层，所述上多孔陶瓷层设在所述反应区内，所述燃料电池的上端邻近所述上多孔陶瓷层的下端，所述上多孔陶瓷层内形成燃尽区。2.根据权利要求1所述的直接火焰固体氧化物燃料电池装置，其特征在于，进一步包括多孔金属层，所述多孔金属层设在所述反应区内且在上下方向上位于所述上多孔陶瓷层和所述下多孔陶瓷层之间。3.根据权利要求2所述的直接火焰固体氧化物燃料电池装置，其特征在于，所述多孔金属层的下表面与所述下多孔陶瓷层的上表面接触，所述多孔金...

【专利技术属性】
技术研发人员：史翊翔，王雨晴，蔡宁生，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11