一种直接碳固体氧化物燃料电池电堆及其发电装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种直接碳固体氧化物燃料电池电堆及其发电装置，CO2储气瓶提供高压CO2与给碳机供给的碳粉混合，再通过混合入口管进入电堆，使CO2和碳粉混合物在电堆内部呈螺旋形流动，且电堆中相邻上下层SOFC单电池错开90度布置，相邻单电池反向布置，对螺旋形流动的碳燃料进行扰动使碳燃料均匀分布在电池阳极表面；反应完尾气经过滤分离后分别通过CO2回收管道和碳回收管道进行回收再利用，提高效率；空气进入电堆反应后经空气腔底部空气出口孔排出，利用空气层的保温效果和排出空气的高温余热对燃料再预热并给Boudouard反应提供热量补偿，保证Boudouard反应快速稳定进行。

【技术实现步骤摘要】
一种直接碳固体氧化物燃料电池电堆及其发电装置
本专利技术涉及燃料电池领域，具体涉及一种直接碳固体氧化物燃料电池电堆及其发电装置。
技术介绍
氢气是固体氧化物燃料电池(SOFC)最为理想的燃料，但作为一种二次能源，氢气不可直接获得且储存运输技术尚不成熟，成本较高。在众多SOFC燃料中，碳燃料的来源最为广泛，且其能量密度高，基本不存在储存和运输问题，因而直接使用碳燃料的SOFC(DC-SOFC)受到了越来越多的重视。DC-SOFC的总反应为：C+O2＝CO2，此反应的熵变很小，且碳燃料不和空气相接触，有利于CO2的再利用和回收处理。在DC-SOFC启动时，通入一定量的CO2使得其和碳燃料在高温下发生Boudouard反应(CO2+C＝2CO)，生成的CO与从电解质传递过来的氧离子发生反应生成CO2，CO2再通过Boudouard反应生成CO，如此往复循环，就实现了消耗固体碳发电的目的。到目前为止，研究者们已从不同的角度，提出了各种DC-SOFC的设计方案。例如“一种直接碳固体氧化物燃料电池电源系统”的专利技术专利，专利号CN102130354A，将碳燃料和锥管串接式SOFC设计相结合，可在尺寸较小的情况下输出较高的电压，适用于小型SOFC电源；“一种自维持式直接碳微管固体氧化物燃料电池组”的专利技术专利，专利号CN107681179A，通过电池组底部碳燃料和氧气燃烧产生的热量，实现了在无外热源的情况下电池的顺利启动。“一种无密封的单片电解质直接碳固体氧化物燃料电池组”的专利技术专利，专利号CN108183248A，将阴极和阳极分段布置在电解质两侧，并用固定框扣住电解质片，使该电池组无需密封；“一种直接碳固体氧化物燃料电池堆”的专利技术专利，专利号CN103078128A，利用SOFC的余热为碳和水蒸气进行重整反应提供热量，提高了系统效率。以上专利虽然都解决了相应的问题，但是无一例外的都是将大量的碳燃料堆积在燃料腔室中，这也是目前大部分研究对于碳燃料的处理方式，而大量碳燃料的堆积会严重制约Boudouard反应。其原因是：(1)大量碳燃料的堆积导致碳颗粒之间接触面积增大，碳颗粒与CO2接触面积急剧减小，进而降低了Boudouard反应；(2)大量碳燃料的堆积导致Boudouard反应产生的CO不易及时排出，进一步抑制了反应的进行；(3)大量碳燃料的堆积会导致燃料腔室中不同位置的碳颗粒同时发生Boudouard反应，而Boudouard反应是吸热反应，因此导致燃料腔室中温度过低，减缓了反应速率；(4)随着Boudouard反应的进行，碳燃料不断的消耗，因此CO的生产量越来越少。因此大量碳燃料的堆积不能实现稳定的CO供应。因此，若能将碳燃料分散开来，用气体携带进入DC-SOFC，并控制气碳混合物进入电堆的量，再在DC-SOFC内进行充分的扰动，使其可以均匀分散在电池阳极表面，并使用排出空气的高温余热对Boudouard反应进行热量补偿，就可保证Boudouard反应的快速持续稳定进行，从而提高DC-SOFC性能。此外，若能对DC-SOFC产生的尾气进行回收再利用，还可使装置效率进一步提高。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术的目的在于提供一种直接碳固体氧化物燃料电池电堆及其发电装置，解决由于大量碳燃料堆积导致的Boudouard反应过慢的问题。技术方案：本专利技术的一种直接碳固体氧化物燃料电池电堆，包括若干管式SOFC电池组、若干空气导管、空气腔、固定板和电堆加热板：所述管式SOFC电池组包括若干层SOFC单电池，各层SOFC单电池由上至下交错堆叠放置，每一层SOFC单电池包括若干SOFC单电池，且每相邻两个SOFC单电池并排反向布置；所述每个SOFC单电池由内到外依次包括阴极、电解质和阳极，且阴极最长，阳极最短；各层SOFC单电池开口端从外到内均依次夹有固定板和电堆加热板，使得管式SOFC电池组整体固定，固定板和电堆加热板竖直设立；所述空气导管通过空气腔插入对应的管式SOFC电池组中，并与每个SOFC单电池阴极之间留有2-5mm以供空气在电池内流动，所述空气腔设于固定板外侧，形成一空腔，使反应完的空气经开于空气腔底部的空气出口孔流出。进一步的，所述SOFC单电池的层数根据发电需求确定，所述相邻上下层SOFC单电池错开90度布置，且相邻单电池反向布置。这样能够对螺旋形流动的碳燃料进行扰动，保证Boudouard反应快速进行。本专利技术还公开了一种直接碳固体氧化物燃料电池电堆的发电装置，包括SOFC电堆、CO2汇流箱、CO2储气瓶、给碳机和第一汇流箱，所述SOFC电堆的四周壁面上连接有若干空气入口管，SOFC电堆底部四周开设有若干空气出口孔；所述CO2汇流箱一端通过CO2出口管连接于SOFC电堆顶端，CO2汇流箱的另一端依次连接若干运输管道、过滤器、CO2回收管道、压缩机和若干CO2储气瓶；所述第一汇流箱一端通过混合入口管连接于SOFC电堆底部，且混合入口管伸入SOFC电堆内部，第一汇流箱另一端依次连接有气碳混合管、CO2出气管道和若干CO2储气瓶；所述给碳机设置于气碳混合管和CO2出气管道之间，给碳机的底部通过输碳管连通于气碳混合管和CO2出气管道之间，给碳机的顶部通过碳回收管道连接于过滤器。其中，CO2储气瓶提供高压CO2与给碳机供给的碳粉混合，再通过四角切圆布置的混合入口管通入电堆中，使CO2和碳粉混合物在SOFC电堆内部呈螺旋形流动，增强燃料的扰动使其均匀分布在各个SOFC单电池的阳极表面。反应完的尾气经过滤分离后分别通过CO2回收管道和碳回收管道进行回收再利用，提高装置效率；空气通过空气入口管进入电堆，反应后经空气腔底部空气出口孔排出，利用空气层的保温效果和排出空气的高温余热对燃料再预热并给Boudouard反应提供热量补偿，从而进一步保证Boudouard反应快速稳定进行。进一步的，所述SOFC电堆顶端安装有固定端盖，各个CO2出口管竖直立于固定端盖，且各个CO2出口管连接于CO2汇流箱底部；所述SOFC电堆底部设有若干电堆支架，通过电堆支架将SOFC电堆支撑固定。进一步的，所述过滤器和压缩机之间的CO2回收管道上设有第一控制阀门，所述碳回收管道设有第二控制阀门；所述输碳管上设有第三控制阀门。进一步的，所述各个CO2储气瓶并联，每个CO2储气瓶进气处和出气处均分别连接CO2回收管道和CO2出气管道；且每个CO2储气瓶均设有对应的进气阀门和出气阀门。进一步的，所述各个混合入口管接入SOFC电堆右下方或者左下方，混合入口管上插入电堆内部的一侧采用四角切圆式水平布置，且每个混合入口管的出口处均呈圆柱型喷嘴状。进一步的，所述CO2储气瓶为多级储气瓶，根据电堆的运行情况，各个对应的进气阀门10和出气阀门13不需要全部同时打开，以满足电堆需要的携碳CO2量为准，剩余的CO2储气瓶储满后可以运到其他地方使用，再用空储气瓶替换即可。进一步的，所述第二控制阀门控制碳回收管道将未反应完的碳粉输送回所述给碳机中，且根据电堆的运行情况，给碳机的供碳量由第三控制阀门控制。有益效果：与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：(1)将碳燃料分散开，以CO2气体携带进入电堆，避免碳燃料的大量堆积，增大了碳颗粒与CO2的接触面积，提高了Boudouard反应速率本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种直接碳固体氧化物燃料电池电堆，其特征在于：包括若干管式SOFC电池组(25)、若干空气导管(26)、空气腔(27)、固定板(28)和电堆加热板(29)：所述管式SOFC电池组(25)包括若干层SOFC单电池，各层SOFC单电池由上至下交错堆叠放置，每一层SOFC单电池包括若干SOFC单电池，且每相邻两个SOFC单电池并排反向布置；所述每个SOFC单电池由内到外依次包括阴极(30)、电解质(31)和阳极(32)，且阴极(30)最长，阳极(32)最短；各层SOFC单电池开口端从外到内均依次夹有固定板(28)和电堆加热板(29)，使得管式SOFC电池组(25)整体固定，固定板(28)和电堆加热板(29)竖直设立；所述空气导管(26)通过空气腔(27)插入对应的管式SOFC电池组(25)中，并与每个SOFC单电池阴极(30)之间留有2‑5mm空隙以供空气在电池内流动，所述空气腔(27)设于固定板(28)外侧，形成一空腔，使反应完的空气经开于空气腔(27)底部的空气出口孔(3)流出。

【技术特征摘要】
1.一种直接碳固体氧化物燃料电池电堆，其特征在于：包括若干管式SOFC电池组(25)、若干空气导管(26)、空气腔(27)、固定板(28)和电堆加热板(29)：所述管式SOFC电池组(25)包括若干层SOFC单电池，各层SOFC单电池由上至下交错堆叠放置，每一层SOFC单电池包括若干SOFC单电池，且每相邻两个SOFC单电池并排反向布置；所述每个SOFC单电池由内到外依次包括阴极(30)、电解质(31)和阳极(32)，且阴极(30)最长，阳极(32)最短；各层SOFC单电池开口端从外到内均依次夹有固定板(28)和电堆加热板(29)，使得管式SOFC电池组(25)整体固定，固定板(28)和电堆加热板(29)竖直设立；所述空气导管(26)通过空气腔(27)插入对应的管式SOFC电池组(25)中，并与每个SOFC单电池阴极(30)之间留有2-5mm空隙以供空气在电池内流动，所述空气腔(27)设于固定板(28)外侧，形成一空腔，使反应完的空气经开于空气腔(27)底部的空气出口孔(3)流出。2.根据权利要求1所述的直接碳固体氧化物燃料电池电堆，其特征在于：所述SOFC单电池的层数根据发电需求确定，所述相邻上下层SOFC单电池错开90度布置，且相邻单电池反向布置。3.根据权利要求1或2所述的直接碳固体氧化物燃料电池电堆的发电装置，其特征在于：包括SOFC电堆(1)、CO2汇流箱(6)、CO2储气瓶(13)、给碳机(18)和第一汇流箱(22)，所述SOFC电堆(1)的四周壁面上连接有若干空气入口管(2)，SOFC电堆(1)底部四周开设有若干空气出口孔(3)；所述CO2汇流箱(6)一端通过CO2出口管(5)连接于SOFC电堆(1)顶端，CO2汇流箱(6)的另一端依次连接若干运输管道(7)、过滤器(8)、CO2回收管道(9)、压缩机(10)和若干CO2储气瓶(13)；所述第一汇流箱(22)一端通过混合入口管(23)连接于SOFC电堆(1)底部，且混合入口管(23)伸入SOFC电堆(1)内部，第一汇流箱(22)另一端依次连接有气碳混合管(21)、CO2出气管道(14)和若干CO2储气瓶(13)；所述给碳机(18)设置于气碳混合管...

【专利技术属性】
技术研发人员：孔为，韩振，黄红艳，张梦彤，
申请(专利权)人：江苏科技大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32