一种固体氧化物燃料电池与流化床集成的发电装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种固体氧化物燃料电池与流化床集成的发电装置及方法，包括流化床气化炉，流化床气化炉内沿纵向同轴设置有若干管式固体氧化物燃料电池单体；相邻两管式固体氧化物燃料电池单体之间通过连接管首尾连通形成一燃料电池组。本发明专利技术利用流化床反应器气化固体碳燃料，解决了加料问题、固体燃料与电极接触受限以及碳燃料自身反应活性较低的问题；并且，燃料电池和碳气化反应的直接集成，使燃料电池电化学反应产生的CO2，可以直接气化碳颗粒，促进了碳气化反应的进行；SOFC自身工作产生的热量可以直接供给碳气化本身的吸热过程，减少了能量损失，实现了更高的能量转化率。实现了更高的能量转化率。

【技术实现步骤摘要】
一种固体氧化物燃料电池与流化床集成的发电装置及方法


[0001]本专利技术涉及燃料电池技术，具体为一种固体氧化物燃料电池与流化床集成的发电装置及方法。

技术介绍

[0002]燃料电池技术相对于传统的火力发电方式，是一种能够直接将燃料中化学能转化为电能的发电方式，不受卡诺循环的限制，具有效率高、清洁、噪音小等优点。固体氧化物燃料电池(SOFC)是典型的高温燃料电池(600
‑
1000℃)，高温的工作环境相比其他燃料电池具有催化剂成本低、燃料种类兼容性强、燃料能量转化率高等优点。直接碳固体氧化物燃料电池(DC
‑
SOFC)直接使用固体含碳燃料，总反应C(s)+O2(g)
→
CO2(g)，其理论效率可以达到100％。固体含碳燃料相比氢气、天然气等气体燃料，可以使用煤炭、生物质、固废等作燃料，燃料来源更加广泛，并且能量密度高、更加安全、易于存储和运输。
[0003]然而，对于传统的直接碳固体氧化物燃料电池，需要使固体燃料与阳极接触距离足够近才能使电化学反应发生，并且随着碳的消耗这种接触较难持续。碳燃料本身的反应活性相比气体也比较低，并且连续运行过程中，固体燃料的送料问题也亟需解决。因此这些因素限制了直接碳固体氧化物燃料电池的工作性能。

技术实现思路

[0004]针对现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种固体氧化物燃料电池与流化床集成的发电装置及方法，有效的解决了固体燃料与电极接触受限以及碳燃料自身反应活性较低的问题。
[0005]本专利技术是通过以下技术方案来实现：
[0006]一种固体氧化物燃料电池与流化床集成的发电装置，包括流化床气化炉，流化床气化炉内沿纵向同轴设置有若干管式固体氧化物燃料电池单体；
[0007]相邻两管式固体氧化物燃料电池单体之间通过连接管首尾连通形成一燃料电池组；管式固体氧化物燃料电池单体由外至内依次为多孔阳极、固体氧化物电解质和多孔阴极；
[0008]位于流化床气化炉最底部的管式固体氧化物燃料电池单体的底部开口为阴极进气口，位于流化床气化炉最顶部的管式固体氧化物燃料电池单体的顶部开口为阴极出气口；
[0009]流化床气化炉底部设置有气化炉进气口，顶部设置有气化炉出气口，且气化炉进气口上方设置有布风板。
[0010]优选的，流化床气化炉内均匀设置多组燃料电池组。
[0011]优选的，还设置有尾气循环装置，流化床气化炉顶部的气化炉出气口与流化床气化炉底部的气化炉进气口通过尾气循环装置连接。
[0012]优选的，每一组燃料电池组中相邻两管式固体氧化物燃料电池单体之间通过集流
导线串联连接。
[0013]优选的，位于流化床气化炉最底部的管式固体氧化物燃料电池单体的底部连接有出气管，出气管伸出流化床气化炉。
[0014]进一步的，出气管经布风板穿出流化床气化炉。
[0015]进一步的，出气管与布风板连接处用耐高温胶密封。
[0016]优选的，位于流化床气化炉最顶部的管式固体氧化物燃料电池单体的顶部连接有进气管，进气管伸出流化床气化炉。
[0017]进一步的，进气管与流化床气化炉连接处用耐高温胶密封。
[0018]一种发电方法，所述的发电装置，将固体碳燃料加入流化床气化炉中，并加热流化床气化炉，从阴极进气口向燃料电池组内部通入空气，从流化床气化炉底部通入流化燃料气体，收集燃料电池组产生的电流。
[0019]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：
[0020]本专利技术使用时，将固体碳燃料加入流化床气化炉中，并加热流化床气化炉，在阴极出气口通入空气，空气在阴极发生电化学反应，从流化床气化炉底部通入CO2气体，CO2气体通过布风板进入流化床气化炉，流化固体碳燃料，固体碳燃料气化产生的CO作为燃料气体在多孔阳极发生电化学反应。与CN201110217478.6相比，本装置的主要特点在于燃料电池排布方向的差异。本专利技术将管式燃料电池平行于气固两相流的流道布置，这一改进能够带来多方面的益处：首先，有利于电池性能的提升。在流化床气化炉中，燃料气体CO的浓度随着床体高度逐渐升高。纵向(平行于气固两相流)放置时，可以根据不同碳基燃料的气化特性调整电池的布置高度，使得管式燃料电池的阳极表面CO的浓度接近于相应工况下的平衡浓度，通过调整电池间距及气流速度，使得碳颗粒的气化速率与电池对CO的消耗速率相匹配，阳极表面的CO浓度更加均衡，进而提高电池性能。其次，有利于电池组的集成和组装。水平放置时，不同高度处CO浓度不同，这一差异将引起电池性能的差别，不利于电池组的组装和集成；而纵向放置时，各管式燃料电池所处的燃料气氛十分相近，电池性能相近，有利于电池的组装和集成。再次，有利于气化过程与电池之间的热耦合。由于固态碳的气化是吸热过程，而燃料电池运行时则会释放一定的热量，燃料电池纵向放置，提高了两者的热耦合程度，有利于系统的温度控制，减少出现局部过热或过冷的概率。最后，有利于延长电池寿命。电池纵向(平行于气固两相流)放置，可以减少固体颗粒对于电极表面的冲击和碰撞，从而减少由于气固两相流对电池的损伤，延长电池寿命。本专利技术利用流化床反应器气化固体碳燃料，解决了加料问题、固体燃料与电极接触受限以及碳燃料自身反应活性较低的问题；并且，燃料电池和碳气化反应的直接集成，使燃料电池电化学反应产生的CO2，可以直接气化碳颗粒，促进了碳气化反应的进行；SOFC自身工作产生的热量可以直接供给碳气化本身的吸热过程，减少了能量损失，实现了更高的能量转化率。每组管式燃料电池采取SOFC单体通过连接管依次首尾相连的连接方式，便于组装，也有利于燃料电池堆的拓展和放大。
[0021]进一步的，每组燃料电池均匀的分布在碳燃料床层中，使整个燃料电池堆性能更加均衡和稳定。
[0022]进一步的，流化床气化炉中排出的尾气，通过尾气循环装置，重新进入到流化床气化炉中参与碳气化过程，提高材料利用率，节省资源。
[0023]进一步的，通过集流导线连接既能够满足电子收集需求，又能够降低成本。
[0024]进一步的，用耐高温胶密封，能避免阴极被外界CO2气体影响。
附图说明
[0025]图1为本专利技术整体装置图；
[0026]图2为管式固体氧化物燃料电池单体剖面图；
[0027]图3和图4为布风板示意图。
[0028]图5为不同电流密度下气化炉内CO浓度随高度的变化。
[0029]图中：1、连接管；2、管式固体氧化物燃料电池单体；3、流化床气化炉；4、固体碳燃料；5、阴极出气口；6、流化燃料气体；7、螺母；8、布风板；9、出气管；10、集流导线；11、流化床尾气；12、阴极进气口；13、多孔阳极；14、固体氧化物电解质；15、多孔阴极；16、进气管。
具体实施方式
[0030]下面结合具体的实施例对本专利技术做进一步的详细说明，所述是对本专利技术的解释而不是限定。
[0031]如图1所示，本专利技术所述的管式固体氧化物燃料电池与流本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种固体氧化物燃料电池与流化床集成的发电装置，其特征在于，包括流化床气化炉(3)，流化床气化炉(3)内沿纵向同轴设置有若干管式固体氧化物燃料电池单体(2)；相邻两管式固体氧化物燃料电池单体(2)之间通过连接管(1)首尾连通形成一燃料电池组；管式固体氧化物燃料电池单体(2)由外至内依次为多孔阳极(13)、固体氧化物电解质(14)和多孔阴极(15)；位于流化床气化炉(3)最底部的管式固体氧化物燃料电池单体(2)的底部开口作为阴极进气口(12)，位于流化床气化炉(3)最顶部的管式固体氧化物燃料电池单体(2)的顶部开口作为阴极出气口(5)；流化床气化炉(3)底部设置有气化炉进气口，顶部设置有气化炉出气口，且气化炉进气口上方设置有布风板(8)。2.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池与流化床集成的发电装置，其特征在于，流化床气化炉(3)内均匀设置多组燃料电池组。3.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池与流化床集成的发电装置，其特征在于，还设置有尾气循环装置，流化床气化炉(3)顶部的气化炉出气口与流化床气化炉(3)底部的气化炉进气口通过尾气循环装置连接。4.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池与流化床集成的发电装置，其特征在于，每一组燃料电池组中相邻两管式固体氧化物燃料电池单体(2...

【专利技术属性】
技术研发人员：周强，张东旭，闵婷，郝文斌，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：