專利名稱：固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬一種發(fā)電裝置，特別涉及固體氧化物燃料電池的發(fā)電系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
與本實(shí)用新型最相近的現(xiàn)有技術(shù)是美國西屋(Westinghouse)公司的固體氧化物燃料電池(縮寫SOFC)發(fā)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)大致可分為兩部分，上半部分燃燒室，下半部分為發(fā)電區(qū)，即燃料電池本體。具體結(jié)構(gòu)參考圖1。每個(gè)單電池包括電解質(zhì)管1，主要是由氧化釔穩(wěn)定化的氧化鋯材料制成的一端開口的圓管狀管體，其內(nèi)由多孔支撐管18支撐。在電解質(zhì)管1的內(nèi)側(cè)壁燒結(jié)有摻鍶的鑭錳復(fù)合氧化物材料的陰極3，在電解質(zhì)管1的外側(cè)沉積鎳金屬陶瓷材料的陽極2。電池本體包括許多個(gè)這樣的單電池，即許多個(gè)單電池進(jìn)行串聯(lián)或/和并聯(lián)組合構(gòu)成電池本體，電池本體安裝在陶瓷材料的底座5上。單電池的串、并聯(lián)方法由圖2給出。圖2所示為四個(gè)單電池兩兩串聯(lián)再并聯(lián)連接。連接后用陰極總線13和陽極總線12做電池引線。燃燒室4為上頂蓋14和下底蓋15之間的部分，兩層頂蓋為陶瓷材料。該系統(tǒng)使用純氫做燃料，氧氣做氧化劑。燃料氣體從底座5外面的燃料輸入管22輸入，通過穿透底座5燃料流入孔17進(jìn)入各單電池之間的空隙，并與陽極2接觸。氧氣則從上頂蓋14外面的氧氣輸入管21輸入，在燃燒室4中通過，并對(duì)氣體加熱。氧氣通過氧氣流入管16自上而下進(jìn)入電解質(zhì)管1的底部，并與陰極3接觸。燃料電池也可以使用天然氣或煤氣，但需要經(jīng)過一個(gè)重整過程，即使CH4產(chǎn)生SOFC所需的氫氣等還原氣體的過程。該過程用化學(xué)反應(yīng)式表示CH4+2H2O＝4H2+CO2。該過程的實(shí)現(xiàn)是用外加設(shè)備進(jìn)行的，稱為燃料外重整。如果是利用SOFC工作環(huán)境直接進(jìn)行的，稱為燃料內(nèi)重整。
現(xiàn)有技術(shù)單電池與單電池之間結(jié)構(gòu)緊湊，開發(fā)程度很高，但也存在許多不足第一，電池本體與燃燒室各自獨(dú)立，從而增加密封環(huán)節(jié)，增加了整體系統(tǒng)的高度，降低燃燒室對(duì)電池本體和燃料氣體(氫氣)的加熱效率。第二，電極連接是通過陰極的凸槽與陽極的凹槽穿透方式，要求電解質(zhì)管不能有一點(diǎn)點(diǎn)彎曲或變形，制造工藝復(fù)雜和維修更換困難，一個(gè)單電池的電解質(zhì)管斷裂將導(dǎo)致系統(tǒng)的損壞；此外電極引線的連接處在高溫800～1000℃區(qū)域易造成氧化。第三，純氫氣做燃料，價(jià)格昂貴，還存在運(yùn)輸、存儲(chǔ)的安全問題，限制了民用市場(chǎng)；如果是用天然氣或城市煤氣需要燃料外重整設(shè)備，若采用不增加設(shè)備的直接內(nèi)重整會(huì)造成過量的炭沉積在陽極表面，堵塞電極通道，影響燃料在陽極表面的傳輸和反應(yīng)，降低電極表面活性，從而影響發(fā)電系統(tǒng)的性能。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問題是，克服現(xiàn)在技術(shù)的不足，使固體氧化物燃料電池發(fā)電裝置設(shè)計(jì)合理，熱能被充分利用；維修更換方便；保護(hù)電極不被高溫氧化和接觸良好；運(yùn)行安全可靠。
本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問題是這樣實(shí)現(xiàn)的，將每一個(gè)單電池制成一個(gè)模塊，許多個(gè)模塊安裝在中空的底座上；模塊的結(jié)構(gòu)包括倒置的電解質(zhì)管，其外套有外套管；電解質(zhì)管的內(nèi)側(cè)表面為陽極，外側(cè)表面為陰極；在電解質(zhì)管內(nèi)通燃料氣體，通過外套管向電解質(zhì)管陰極部分通氧化劑(空氣)。在底座上裝有燃料室的燃料噴嘴。每一個(gè)這樣的模塊都是獨(dú)立的，許多模塊并排放在一起并使各模塊的電極在低溫區(qū)域內(nèi)串聯(lián)、并聯(lián)構(gòu)成發(fā)電系統(tǒng)。
具體結(jié)構(gòu)詳述如下模塊式管狀固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，由單電池；燃燒室；底座等構(gòu)成。
所說的單電池包括有一開口的電解質(zhì)管與電解質(zhì)管有相似形狀的并套在其內(nèi)的多孔支撐管，制作在電解質(zhì)管壁上的陽極，陰極；以及空氣輸入管，燃料輸入管等部件。本發(fā)明的電解質(zhì)管是開口朝下的安裝在底座上的，陽極和陰極分別制作在電解質(zhì)管的內(nèi)側(cè)和外側(cè)，這些都與背景技術(shù)相反。在電解質(zhì)管內(nèi)裝有燃料導(dǎo)入管，燃料導(dǎo)入管與輸入燃料的總管相連通，為燃料電池的陽極區(qū)域提供燃料氣體。在電解質(zhì)管外面套裝有外套管，其上端開有氧化劑(空氣)注入口，氧化劑(空氣)注入口與輸入氧化劑(空氣)的總管相連通。
所說的底座是中空的密封體，其上裝有單電池。燃料導(dǎo)入管自下而上從底座中心穿過，燃料導(dǎo)入管與底座下層之間密封，而與底座上層之間是有空隙的，該空隙可讓剩余燃料通過進(jìn)入底座的中空部分。電解質(zhì)管管口與底座上層是密封的，而外套管與底座上層是有孔隙的，該孔隙可讓剩余氧化劑(空氣)通過為剩余燃料助燃。
所說的燃燒室是燃料電池的上頂蓋與底座之間的空間，燃燒室包括底座的中空部分和噴嘴。噴嘴由中心管和外環(huán)孔組成。中心管穿過底座的上層，下端與底座的中空部分相連，上端為火焰噴口；外環(huán)孔環(huán)繞在中心管外圍，是外套管下端和底座之間形成的孔隙。
單電池的陽極和陰極的電極引線經(jīng)底座的側(cè)面引出，在底座的底部外面低溫區(qū)域進(jìn)行串聯(lián)或/和并聯(lián)。
前述的結(jié)構(gòu)可以使用氫氣作燃料氣體，也可以使用天然氣、城市煤氣作燃料氣體。使用天然氣、城市煤氣時(shí)，可以采取直接內(nèi)重整方式將原料氣體轉(zhuǎn)變?yōu)闅錃?。更好的辦法是采用本發(fā)明的間接內(nèi)重整系統(tǒng)，將天然氣、城市煤氣轉(zhuǎn)變?yōu)闅錃狻?br> 本實(shí)用新型的間接內(nèi)重整系統(tǒng)由高溫重整室、高溫轉(zhuǎn)換器、低溫轉(zhuǎn)換器以及氣水分離器、管道組成。
所說的高溫重整室是燃燒室的上半部分，剩余燃料燃燒放出熱量，加熱燃料輸入管內(nèi)的城市煤氣、天然氣和水蒸氣，即燃料輸入管從高溫重整室內(nèi)通過。氧化劑(空氣)輸入管和外套管上端的氧化劑(空氣)注入口也置于高溫重整室內(nèi)，為氧化劑(空氣)預(yù)熱。
所說的高溫轉(zhuǎn)換器和低溫轉(zhuǎn)換器是盛水的容器，其上都分別開有進(jìn)水口和出水口，燃料輸入管經(jīng)高溫重整室后，分先后從高溫轉(zhuǎn)換器和低溫轉(zhuǎn)換器中間穿過，再與通入電解質(zhì)管內(nèi)的燃料導(dǎo)入管相接通。
所說的氣水分離器是開有氣水入口、蒸氣出口、水出口的一個(gè)容器。氣水分離器的氣水入口通過管道與高溫轉(zhuǎn)換器的出水口相連通；氣水分離器的蒸氣出口通過管道與燃料輸入管的入口相連通；氣水分離器的水出口由管道并經(jīng)過水位傳感器、控制風(fēng)冷裝置與低溫轉(zhuǎn)換器的進(jìn)水口相連通，在氣水分離器的水出口的管道底端經(jīng)水泵連接水源。
本實(shí)用新型由于電解質(zhì)管的開口向下，陽極在電解質(zhì)管內(nèi)側(cè)，不僅能夠充分利用燃料的氫氣成份，而且燃料導(dǎo)入管可以起到預(yù)熱燃料的作用，提高了電池工作的穩(wěn)定性和電池性能。本實(shí)用新型的外套管不僅減少了燃燒室所占的空間，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，而且保護(hù)陰極氣氛，防止陰極有燃燒沉積物，還便于對(duì)電池的燃燒加熱。本實(shí)用新型中電極在低溫處串、并聯(lián)接，可解決電極高溫氧化問題，降低連接點(diǎn)的接觸電阻，節(jié)省高溫電極引線的昂貴材料。本實(shí)用新型是多個(gè)模塊并行安裝，只要拆開電極引線即可整塊更換，方便了維修，而且一個(gè)單電池?fù)p壞不影響其它單電池正常工作。本實(shí)用新型的間接內(nèi)重整系統(tǒng)，可以使用城市煤氣、天然氣作燃料氣體，從而降低了成本用于民用，擴(kuò)大了應(yīng)用的范圍，而且重整效果好，將甲烷轉(zhuǎn)換和水蒸氣的產(chǎn)生通過轉(zhuǎn)換器融為一體，結(jié)構(gòu)合理，提高了設(shè)備利用率和熱效率，節(jié)省了燃料。


圖1是背景技術(shù)的發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是背景技術(shù)的各單電池電極的串并聯(lián)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是本實(shí)用新型的模塊式單電池結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是圖3的A-A剖面圖。
圖5是本實(shí)用新型的發(fā)電系統(tǒng)示意圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)及工作過程做進(jìn)一步描述。
實(shí)施例1本實(shí)用新型的模塊式單電池結(jié)構(gòu)圖3給出了一個(gè)單電池模塊及相鄰模塊的結(jié)構(gòu)剖面示意圖。其中1為電解質(zhì)管，2為陽極，制作在電解質(zhì)管1的內(nèi)側(cè)。3為陰極，制作在電解質(zhì)管1的外側(cè)。4為燃燒室，是燃料電池的上頂蓋14與底座5之間的空間。5為中空的底座。8為外套管，外套管8上端的開口是氧化劑(空氣)流入口10，氧化劑(空氣)流入口10與氧化劑(空氣)輸入管21相通。9為燃料導(dǎo)入管，它穿過底座5與燃料輸入管22連通，外套管8的外側(cè)為燃料室4。11為燃燒器的噴嘴，它由中心管35和外環(huán)孔36組成，中心管35穿過底座5的上層。圖3中沒畫出多孔支撐管18。
圖4是圖3的A-A剖面圖，由圖4可以看出電解質(zhì)管1、外套管8、燃料導(dǎo)入管9，以及中心管35和外環(huán)孔36之間的位置關(guān)系。
發(fā)電系統(tǒng)工作時(shí)，氧化劑(空氣)經(jīng)氧化劑(空氣)輸入管21和氧化劑(空氣)流入口10進(jìn)入電解質(zhì)管1和外套管8之間的陰極空間。燃料氣體通過燃料輸入管22和燃料導(dǎo)入管9進(jìn)入電解質(zhì)管1內(nèi)的陽極區(qū)域。燃料氣體(氫氣)與氧化劑(空氣)進(jìn)行反應(yīng)而發(fā)電。由于氫氣較其它物質(zhì)輕，可在電解質(zhì)管1內(nèi)停留較長時(shí)間，能充分與空氣進(jìn)行反應(yīng)。剩余的燃料向下流出電解質(zhì)管1，通過燃料導(dǎo)入管9與底座5上層間的空隙進(jìn)入底座5的中空部分，再經(jīng)中心管35由噴嘴11噴出進(jìn)行燃燒，使燃燒室4溫度升高與發(fā)電過程放熱一起維持每個(gè)單電池發(fā)電所需的溫度(≈800℃)，同時(shí)還為燃料輸入管22的前端及氧化劑(空氣)輸入管21預(yù)熱。剩余的氧化劑(空氣)經(jīng)過外套管8下端與底座5之間的孔隙進(jìn)入外環(huán)孔36，為剩余燃料作助燃?xì)怏w使剩余燃料燃燒。
實(shí)施例2本實(shí)用新型的間接內(nèi)重整系統(tǒng)當(dāng)使用燃料為城市煤氣或天然氣時(shí)，需要有重整過程。圖5給出了包括重整系統(tǒng)內(nèi)在的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)示意圖。圖4中，燃料室4的上半部分為高溫重整室20，其內(nèi)有氧化劑(空氣)輸入管21和燃料輸入管22，他們?cè)诖祟A(yù)熱。23為高溫轉(zhuǎn)換器，24為低溫轉(zhuǎn)換器，他們分別有進(jìn)水口25和出水口26。燃料輸入管22從它們中間穿過進(jìn)行燃料氣體的重整，即，使甲烷轉(zhuǎn)變?yōu)闅錃夂投趸?，再?jīng)燃料導(dǎo)入管9進(jìn)入電解質(zhì)管1內(nèi)。燃料重整所需的水蒸氣則由高溫轉(zhuǎn)換器23提供并循環(huán)使用，其過程是，由高溫轉(zhuǎn)換器23的出水口26和氣水入口30進(jìn)入氣水分離器29，蒸汽和水在氣水分離器29處分離，蒸汽經(jīng)蒸氣出口31和氣壓傳感器38進(jìn)入燃料輸入管22，提供燃料重整所需的水蒸氣，即CH4+2H2O＝4H2+CO2反應(yīng)中的水。分離的水經(jīng)水出口32、水位傳感器34、控制風(fēng)冷裝置37和流入低溫轉(zhuǎn)換器24，一方面為燃料提供重整所需的降溫，又使水進(jìn)行了加熱；再經(jīng)高溫轉(zhuǎn)換器23，使水蒸發(fā)變?yōu)樗旌衔?。水位傳感?4用于監(jiān)視和控制氣水分離器29的水位；控制風(fēng)冷裝置37用于控制低溫轉(zhuǎn)換器24的水溫，若低溫轉(zhuǎn)換器24水溫過高，控制風(fēng)冷裝置37可使其降溫；氣壓傳感器38用于控制蒸汽的壓力，確保水蒸汽和燃料氣體的混合比例。水泵39連接在水源與水循環(huán)的管道中間，以補(bǔ)充燃料重整系統(tǒng)用水，保證氣水分離器29的水位。
在本實(shí)用新型的間接內(nèi)重整系統(tǒng)中，高溫重整室20的溫度可達(dá)800～1000℃，進(jìn)行CH4+H2O＝CO+3H2的化學(xué)反應(yīng)。輸出的燃料氣體進(jìn)入高溫轉(zhuǎn)換器23，使燃料溫度降為350-370℃，所進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)為CO+H2O＝CO2+H2，即使CO進(jìn)一步轉(zhuǎn)變?yōu)镃O2和H2。這時(shí)尚有CO殘余氣體，在進(jìn)入低溫轉(zhuǎn)換器24溫度降為200-230℃，使CO進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為CO2和H2。這時(shí)的燃料氣體輸入到燃料導(dǎo)入管9內(nèi)再次升溫。此時(shí)升溫的熱量來自陽極反應(yīng)放出的熱量，溫度可達(dá)800-1000℃。重整所需的水蒸氣由低溫轉(zhuǎn)換器24和高溫轉(zhuǎn)換器23使水兩次升溫，達(dá)到汽化的程度。
權(quán)利要求1.一種固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，由單電池；燃燒室(4)；底座(5)以及氧化劑輸入管(21)，燃料輸入管(22)構(gòu)成；所說的單電池包括有一開口的電解質(zhì)管(1)與電解質(zhì)管(1)有相似形狀的并套在其內(nèi)的多孔支撐管(18)，制作在電解質(zhì)管(1)壁上的陽極(2)、陰極(3)；其特征是，電解質(zhì)管(1)是開口朝下的安裝在底座(5)上的，陽極(2)和陰極(3)分別制作在電解質(zhì)管(1)的內(nèi)側(cè)和外側(cè)；在電解質(zhì)管(1)內(nèi)裝有燃料導(dǎo)入管(9)，燃料導(dǎo)入管(9)與燃料輸入管(22)相連通，為燃料電池的陽極區(qū)域提供燃料氣體；在電解質(zhì)管(1)外面套裝有外套管(8)，其上端開有氧化劑注入口(10)，氧化劑注入口(10)與氧化劑輸入管(21)相連通；所說的底座(5)是中空的密封體，其上裝有單電池；燃料導(dǎo)入管(9)自下而上從底座(5)中心穿過，燃料導(dǎo)入管(9)與底座(5)下層之間密封，而與底座(5)上層之間是有空隙的，該空隙讓剩余燃料通過進(jìn)入底座的中空部分；電解質(zhì)管(1)管口與底座(5)上層是密封的，而外套管(8)與底座(5)上層是有孔隙的，該孔隙讓剩余氧化劑通過為剩余燃料助燃；所說的燃燒室(4)是燃料電池的上頂蓋(14)與底座(5)之間的空間，燃燒室(4)包括底座(5)的中空部分和噴嘴(11)。噴嘴(11)由中心管(35)和外環(huán)孔(36)組成；中心管(35)穿過底座(5)的上層，下端與底座(5)的中空部分相連，上端為火焰噴口；外環(huán)孔(36)環(huán)繞在中心管(35)外圍，是外套管(8)下端和底座(5)之間形成的孔隙；單電池的陽極(2)和陰極(3)的電極引線經(jīng)底座(5)的側(cè)面引出，在底座(5)的底部外面進(jìn)行串聯(lián)或/和并聯(lián)。
2.按照權(quán)利要求1所述的固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，其特征是，結(jié)構(gòu)還包括間接內(nèi)重整系統(tǒng)；間接內(nèi)重整系統(tǒng)由高溫重整室(20)、高溫轉(zhuǎn)換器(23)、低溫轉(zhuǎn)換器(24)以及氣水分離器(29)、管道組成；所說的高溫重整室(20)是燃燒室(4)的上半部分，燃料輸入管(22)從高溫重整室(20)內(nèi)通過。氧化劑輸入管(21)和外套管(8)上端的氧化劑注入口(10)也置于高溫重整室(20)內(nèi)；所說的高溫轉(zhuǎn)換器(23)和低溫轉(zhuǎn)換器(24)是盛水的容器，其上都分別開有進(jìn)水口(25)和出水口(26)，燃料輸入管(22)經(jīng)高溫重整室(20)后，分先后從高溫轉(zhuǎn)換器(23)和低溫轉(zhuǎn)換器(24)中間穿過，再與通入電解質(zhì)管(1)內(nèi)的燃料導(dǎo)入管(9)相接通；所說的氣水分離器(29)是開有氣水入口(30)、蒸氣出口(31)、水出口(32)的一個(gè)容器。氣水入口(31)通過管道與高溫轉(zhuǎn)換器(23)的出水口(26)相連通；蒸氣出口(31)通過管道與燃料輸入管(22)的入口相連通；水出口(32)經(jīng)水位傳感器(34)、控制風(fēng)冷裝置(37)、水泵(39)與低溫轉(zhuǎn)換器(24)的進(jìn)水口(25)相連通。
專利摘要本實(shí)用新型的固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)屬發(fā)電裝置，由單電池；燃燒室4；底座5以及氧化劑(空氣)輸入管21，燃料輸入管22構(gòu)成；單電池是開口朝下的電解質(zhì)管1安裝在底座5上，其內(nèi)側(cè)和外側(cè)分別制作陽極2和陰極3，其內(nèi)裝有燃料導(dǎo)入管9，其外面套裝有上端開氧化劑注入口10的外套管8；燃燒室4由底座5的中空部分、噴嘴11和外環(huán)孔36組成。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)還包括間接內(nèi)重整系統(tǒng)。本實(shí)用新型能充分利用燃料的氫氣成份，提高了電池工作的穩(wěn)定性和性能；電池結(jié)構(gòu)緊湊，防止陰極有燃燒沉積物；解決電極高溫氧化問題；模塊式可整塊更換方便了維修；間接內(nèi)重整系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理，提高了設(shè)備利用率和熱效率。
文檔編號(hào)H01M8/10GK2819489SQ20052002849
公開日2006年9月20日 申請(qǐng)日期2005年4月11日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月11日
發(fā)明者裴力, 賀天民, 羅垚, 蘇文輝, 劉江, 呂喆, 黃喜強(qiáng), 劉曉梅, 紀(jì)媛 申請(qǐng)人:吉林大學(xué)