一种直接碳固体氧化物燃料电池电源系统技术方案

本发明专利技术公开了一种直接碳固体氧化物燃料电池电源系统，包括锥管串接式SOFC电池组、碳燃料、燃料容器、燃烧室、加热元件、尾气燃烧导热管和保温层；锥管串接式SOFC电池组由多个电池单体串联构成，电池单体为一端开口大，一端开口小的锥管状，由锥管形结构的多孔阳极、致密电解质膜和多孔阴极由外到内依次连接构成；燃料容器为柱形空腔，锥管串接式SOFC电池组设置在燃料容器的空腔内，碳燃料填充在燃料容器内的锥管串接式SOFC电池组外侧；本发明专利技术由于采用的锥管串接式电池结构能在尺寸较小的情况下输出较高的电压，并且碳燃料能量密度高、安全、便于携带，因此这种电池系统特别适用于小型SOFC电源，例如备用电源、便携式电源等。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及固体氧化物燃料电池，特别是涉及直接使用碳燃料的固体氧化物燃料 电池，具体涉及一种直接碳锥管串接式固体氧化物燃料电池电源系统。
技术介绍
固体氧化物燃料电池(SOFC) —般由传导氧离子的致密电解质和分别对燃料和氧 化剂有电催化作用的多孔阳极和阴极组成。由于SOFC在高温下(600-1000°C )工作，它不 仅可以采用氢气作燃料，还可以直接采用碳氢化合物甚至固体碳作燃料。虽然氢气是一种 清洁燃料，用于燃料电池时具有很高的电化学活性，但氢气是一种二次能源，不能从自然界 中直接获得，因而成本高；此外氢气还存在体积能量密度低、储存运输和安全性等问题。而 碳氢化合物和碳燃料不存在上述问题，因此，直接使用碳氢化合物和碳燃料的SOFC受到了 越来越多的重视。在各种可为SOFC所用的燃料中，碳燃料的来源最为广泛，可来自储量丰富的煤、 生物质材料(木屑、秸秆、其他植物等)、废弃塑料等。与氢气比起来，碳的能量密度高，没有 储存和运输问题，安全，无需专门容器，用于SOFC可使结构高度集约化，特别适合小型电源 应用方面，如便携式电源和备用电源等。直接碳SOFC的结构非常简单，可将碳燃料直接置于SOFC的阳极室，当电池的工作 温度达到800°C以上时，接通电池回路，电池中残留的空气中的氧将和碳燃料发生氧化反应 生成CO，CO扩散到阳极反应区域发生如下电化学氧化反应使电池启动C0+02- = = C02+2e"此反应生成的(X)2扩散到燃料碳的表面，与碳发生气化(Boudouard)反应C02+C = = 2C0生成的CO再扩散到阳极反应区发生电化学氧化反应，如此反复循环，就实现了通 过电化学方式消耗固体碳燃料而发电的目的。目前SOFC普遍采用钇稳定化氧化锆(YSZ)作电解质，管式电解质支撑和阳极支撑 的SOFC直接采用碳燃料工作的可行性已得到证实(一种直接碳固体氧化物燃料电池，中国 专利技术专利:CN200910192848. 8)。SOFC单电池的开路电压只有IV左右，不能用于实际应用，为此，需要将很多SOFC 单电池进行适当的串联和并联以得到需要的输出。锥管串接式S0FC(锥管式阳极支撑固体 氧化物燃料电池单体及电池组，中国专利技术专利ZL200510101487. 3)是锥管状单电池相互 串联而构成的，这种电池结构能够在较小的尺寸下提供较高的电压，特别适合小型电源应 用。因此将这种适合小型化应用的SOFC结构和同样有利于小型电源应用的碳燃料结合起 来，有望得到具有良好应用前景的新型便携式电源或备用电源。SOFC工作时，燃料的氧化反应发生在阳极，传统的管式SOFC的阳极是在管的内 侧，可将碳燃料直接加入电池管中。这种直接将碳燃料置于SOFC内的结构使SOFC结构 简单，但存在着一些不足(1)其碳燃料在电池内的储量受到电池内体积(容积)的限制，从而使SOFC的一次性使用寿命受到限制；( 直接碳SOFC工作时，在燃料处发生的 Boudouard反应是吸热反应，置于SOFC内部的燃料难以及时得到热量的补充，使电池的性 能受到影响；C3)理论上，直接碳SOFC高温下工作时的热力学平衡产物主要是C0，这些气体 直接排出不仅严重污染环境，还造成能源的浪费。
技术实现思路
本专利技术的目的在于将能量密度高且易于携带的碳燃料与适合小型化应用的锥管 串接式SOFC设计相结合，提供一种适合于小型应用的SOFC电源。本专利技术另一目的在于将传统的内侧阳极管式SOFC设计改为外侧阳极设计，提供 一种大容量的直接碳SOFC电源。本专利技术将管式SOFC的阳极设置在管的外侧，而阴极在里侧，将碳燃料置于一个耐 高温且导热的容器中，将SOFC置于碳燃料中，有效解决现有技术存在的问题(1)碳燃料 的储量取决于导热容器的大小，而不受SOFC尺寸的限制，使得碳燃料的使用量范围大大拓 宽；(2)可通过导热容器向碳燃料提供发生气化反应所必须的热量；(3)电池反应产生的含 有CO的尾气可通过一带有促进CO氧化反应的催化剂的燃烧室进行充分燃烧，然后通过换 热器将产生的热量提供给导热容器，以补充热量。这样构成的直接使用碳燃料的SOFC电 源，可以根据需要，在很宽的范围内设计其使用寿命，而且利用尾气残留的CO燃烧产生的 热量提供电池反应需要的热量，使能量得到充分的利用。本专利技术的目的通过如下技术方案实现一种直接碳固体氧化物燃料电池电源系统，包括锥管串接式SOFC电池组、碳燃 料、燃料容器、燃烧室、加热元件、尾气燃烧导热管和保温层；所述锥管串接式SOFC电池组 由多个电池单体串联构成，电池单体为一端开口大，一端开口小的锥管状，由锥管形结构的 多孔阳极、致密电解质膜和多孔阴极由外到内依次连接构成；电池单体串连的方式是一个 电池单体的大开口端内沿与另一电池单体的小开口端外沿通过连接与封装材料密封连接； 所述燃料容器为柱形空腔，锥管串接式SOFC电池组设置在燃料容器的空腔内，碳燃料填充 在燃料容器内的锥管串接式SOFC电池组外侧，碳燃料中还混有狗催化剂；燃料容器的上 表面和下表面分别设有第一圆孔和第二圆孔，第一圆孔和第二圆孔的孔径分别与锥管串接 式SOFC电池组中电池单体的大口端和小口端相当，或者是第一圆孔和第二圆孔的孔径分 别与锥管串接式SOFC电池组中电池单体的小口端和大口端相当；处于最外端的电池单体 的小开口端为敞开，与第二圆孔密封连接，处于最外端的电池单体的大开口端为敞开，与第 一圆孔密封连接；在燃料容器的上表面还设有导气孔和进料口 ；导气管通过管道与燃烧室 连接；加热元件和尾气燃烧导热管交替缠绕在燃料容器的外侧壁上；燃料容器外侧设有保 温层ο为进一步实现本专利技术目的，所述导气孔和进料口上分别插入导气管和进料管，导 气管插入碳燃料内；进料管顶部设有进料口盖，进料口盖通过耐热橡胶圈与进料管密封连 接，进料口盖下端设有绝热塞。所述绝热塞采用陶瓷棉制作；进料口盖采用氧化铝陶瓷材料。所述连接与封装材料为金属银或陶瓷连接材料铬酸钙镧。所述导气管和进料管选用陶瓷管或石英管。4所述燃料容器采用氧化铝材料制备。所述绝热层材料可采用陶瓷棉。所述加热元件用电热丝或燃气导热管。本专利技术锥管串接式SOFC由多节外侧阳极锥管状SOFC单电池相互串联组成。外 侧阳极锥管状单电池由致密电解质、多孔阴极和多孔阳极组成，其结构根据起支撑作用的 部件的不同，可以是致密电解质膜支撑型、阳极支撑型或阴极支撑型，无论是哪种支撑型， 其共同特点是多孔阳极位于电池的外侧，而多孔阴极位于电池的内侧。电解质采用的材料 是钇稳定化氧化锆；阳极采用的材料是NiO和YSZ按1 1 重量比混合制成的金属陶瓷；阴极采用的材料是锰酸锶镧(IAl8Sra2MnO3，简称LSM)与YSZ 按1 1重量比混合制成的复合陶瓷。电解质支撑型结构的SOFC的致密电解质支撑体由 注浆成型法制备，多孔阴极和多孔阳极分别采用涂刷法制备；阳极支撑型结构的SOFC的多 孔阳极支撑体采用注浆成型、或浸渍法、或热压铸法制备，其致密电解质膜采用浸渍法制备 在阳极支持体上，多孔阴极采用涂刷法制备在电解质膜上；所述阴极支撑型结构SOFC的多 孔阴极支撑体采用浸渍法制备，相应的致密电解质膜也采用浸渍法制备在阴极支持体上， 多孔阳极采用涂刷法制备在电解质膜上。锥管串本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种直接碳固体氧化物燃料电池电源系统，其特征在于，包括锥管串接式ＳＯＦＣ电池组、碳燃料、燃料容器、燃烧室、加热元件、尾气燃烧导热管和保温层；所述锥管串接式ＳＯＦＣ电池组由多个电池单体串联构成，电池单体为一端开口大，一端开口小的锥管状，由锥管形结构的多孔阳极、致密电解质膜和多孔阴极由外到内依次连接构成；电池单体串连的方式是一个电池单体的大开口端内沿与另一电池单体的小开口端外沿通过连接与封装材料密封连接；所述燃料容器为柱形空腔，锥管串接式ＳＯＦＣ电池组设置在燃料容器的空腔内，碳燃料填充在燃料容器内的锥管串接式ＳＯＦＣ电池组外侧，碳燃料中还混有Ｆｅ催化剂；燃料容器的上表面和下表面分别设有第一圆孔和第二圆孔，第一圆孔和第二圆孔的孔径分别与锥管串接式ＳＯＦＣ电池组中电池单体的大口端和小口端相当，或者是第一圆孔和第二圆孔的孔径分别与锥管串接式ＳＯＦＣ电池组中电池单体的小口端和大口端相当；处于最外端的电池单体的小开口端为敞开，与第二圆孔密封连接，处于最外端的电池单体的大开口端为敞开，与第一圆孔密封连接；在燃料容器的上表面还设有导气孔和进料口；导气管通过管道与燃烧室连接；加热元件和尾气燃烧导热管交替缠绕在燃料容器的外侧壁上；燃料容器外侧设有保温层。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘江，刘燕，唐玉宝，白耀辉，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：81