專利名稱：用于燃料電池的高梯度磁場聚氧裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬固體氧化物燃料電池發(fā)電裝置的技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種為燃料電池供應(yīng)陰極燃料的設(shè)備。
背景技術(shù)：
固體氧化物燃料電池是一種長期連續(xù)運(yùn)行的發(fā)電設(shè)備，該發(fā)電設(shè)備的運(yùn)行，需要連續(xù)不斷供給氣體燃料，其燃料包括陽極燃料和陰極燃料。陽極燃料是用氫氣或富氫氣體(天然氣)作燃料。陰極燃料是用氧氣或空氣作燃料。氣體燃料的選擇和開發(fā)是決定民用固體氧化物燃料電池發(fā)電設(shè)備運(yùn)行成本和市場開拓的重要因素。
若陰極燃料是用氧氣，傳統(tǒng)工業(yè)制氧氣方法是1、液化空氣制氧是工業(yè)上常用的方法。為了方便運(yùn)輸和使用，將液氧氣化成的氧氣運(yùn)輸和使用。2、利用膜分離技術(shù)富集空氣中的氧氣，在一定的壓力下，讓空氣通過具有富集功能的薄膜，反復(fù)進(jìn)行多級薄膜分離，可得到含量達(dá)90％的富氧氣體。第1種制氧氣方法，在制氧工藝中，消耗大量能源。固體氧化物燃料電池是一種長期連續(xù)運(yùn)行的發(fā)電設(shè)備，使用這種制氧氣方法做燃料電池陰極燃料運(yùn)行成本太高。若第2種制氧氣方法，薄膜是一種易損耗材料，氧氣產(chǎn)氣量也有限，使用這種制氧氣方法做燃料電池陰極燃料運(yùn)行成本也存在增加的問題。
對民用固體氧化物燃料電池陰極燃料是空氣，陰極燃料運(yùn)行成本降低，但是，固體氧化物燃料電池發(fā)電設(shè)備的發(fā)電效率降低。因?yàn)榭諝庵械难鯕夂亢艿?，只占空氣?0％。同時(shí)，空氣中氮?dú)獾暮慷噙_(dá)78％，氮?dú)鈱腆w氧化物燃料電池發(fā)電設(shè)備的發(fā)電沒有任何好處，相反，空氣中78％氮?dú)膺M(jìn)入固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，將帶走發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)部的大量熱量。特別是對固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的熱電聯(lián)用總效率下降很大。
與本實(shí)用新型最相近的現(xiàn)有技術(shù)是一份中國發(fā)明專利申請，名稱為“模塊式管狀固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)”，公開號為CN1674344A。該發(fā)電系統(tǒng)由單電池；燃燒室；底座以及氧化劑(空氣，即陰極燃料)輸入管，燃料(即陽極燃料)輸入管構(gòu)成；在電解質(zhì)管外面套裝有外套管，外套管上端開有氧化劑(陰極燃料——空氣)注入口，氧化劑注入口與氧化劑輸入管相連通。氧化劑(陰極燃料)輸入管置于高溫重整室內(nèi)(高溫重整室是燃燒室的上半部分)，陰極燃料經(jīng)高溫重整室加熱進(jìn)入固體氧化物燃料電池工作區(qū)。
由于使用空氣做陰極燃料，空氣中的氮?dú)鈳ё甙l(fā)電系統(tǒng)內(nèi)部的大量熱量，致使發(fā)電設(shè)備的發(fā)電效率降低。
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)有技術(shù)的陰極燃料設(shè)備存在的問題，給出一種用于燃料電池的高梯度磁場聚氧裝置，使富氧空氣成為供給燃料電池的陰極燃料，提高燃料電池的發(fā)電效率。
本實(shí)用新型的用于燃料電池的高梯度磁場聚氧裝置，由高梯度磁場聚氧單元組成，每個(gè)高梯度磁場聚氧單元的結(jié)構(gòu)是在骨架上并排安裝一組開口的圓環(huán)狀的磁軛，每個(gè)磁軛開口處的兩個(gè)端頭相對裝有永磁塊，兩永磁塊的異性磁極是相對的；相鄰的兩永磁塊磁極方向相同；所說的骨架由扁圓柱形支撐部分和同軸的圓管構(gòu)成，圓管上開有順母線開口，扁圓柱形支撐部分開有螺旋孔，以便將聚氧單元固定在聚氧裝置內(nèi)；圓管上的順母線開口與磁軛開口相重合構(gòu)成富氧氣體進(jìn)口；在骨架兩端開有富氧通道，每個(gè)磁軛的中心軸與富氧通道相通，富氧通道與燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的各單電池的氧化劑注入口相通，使被加熱的富氧空氣作為陰極燃料進(jìn)入固體氧化物燃料電池工作區(qū)。
每個(gè)聚氧單元中的各磁軛之間可以用隔離環(huán)隔開。磁軛可以是鐵材料的。
在聚氧裝置的外面應(yīng)當(dāng)加防護(hù)網(wǎng)，防止雜質(zhì)及灰塵進(jìn)入永磁塊和磁軛所在的空間，確保陰極燃料的清潔和運(yùn)行安全。
聚氧裝置的工作原理是某些物質(zhì)當(dāng)它們受到外磁場作用后，感生出與磁場方向相反的磁化強(qiáng)度，其磁化率Xd＜0。這種磁性稱為抗磁性。表現(xiàn)出磁化率小于零的物質(zhì)稱為抗磁性物質(zhì)。氮?dú)夂蜌錃饩蛯儆诳勾判詺怏w。某些物質(zhì)當(dāng)它們受到外磁場作用后，感生出與磁化磁場同方向的磁化強(qiáng)度，其磁化率Xd＞0。這種磁性稱為順磁性。具有這種磁化率大于零的物質(zhì)稱為順磁性物質(zhì)。氧氣就屬于順磁性氣體。
根據(jù)以上物質(zhì)磁性的特點(diǎn)，本實(shí)用新型設(shè)計(jì)一個(gè)高梯度的磁場，當(dāng)空氣中的氧氣受到高梯度磁場作用后，感生出與磁化磁場同方向的磁化強(qiáng)度，氧氣就會在高梯度的磁場中向磁場強(qiáng)度高的方向移動。同時(shí)，空氣中的氮?dú)夂蜌錃馐艿礁咛荻却艌鲎饔煤螅猩雠c磁場方向相反的磁化強(qiáng)度，空氣中的氮?dú)夂蜌錃饩蜁诟咛荻鹊拇艌鲋邢虼艌鰪?qiáng)度低的方向移動。從而達(dá)到氧和氮的分離。分離出陰極燃料氧氣含量與流量成反比，分離出陰極燃料氧氣含量與高梯度的磁場面積成正比。陰極燃料的氧氣含量增加10％～30％。同時(shí)，降低陰極燃料的氮?dú)夂俊?br> 為了加熱由聚氧裝置產(chǎn)生的富氧空氣，還可以將聚氧裝置和熱交換器作為一個(gè)整體用于固體氧化物燃料電池。所說的熱交換器，由鋼板填充絕熱材料構(gòu)成外殼，外殼上裝有尾氣入口、尾氣出口和陰極燃料輸出管，并由固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的尾氣供熱；其內(nèi)裝有陰極燃料加熱管，每條陰極燃料加熱管一端與聚氧裝置的富氧通道相通，另一端都與陰極燃料輸出管接通，陰極燃料輸出管與各單電池的氧化劑注入口相通；為了使永磁塊不受熱交換器高溫的影響，除了用絕熱材料填充外殼外，可以在熱交換器靠近聚氧器的外殼內(nèi)裝水箱，水箱的下端和上端分別裝有的水入口和水出口穿過外殼。在熱交換器內(nèi)水箱中被加熱的的水，還能夠用作陽極燃料的重整用高溫水。絕熱材料可以使用陶瓷氈或石棉等保溫材料。
本實(shí)用新型的用于燃料電池的高梯度磁場聚氧裝置的特點(diǎn)是與純氧氣式和薄膜式固體氧化物燃料電池陰極燃料供給設(shè)備相比，具有以下特點(diǎn)1、設(shè)備投資少。2、燃料電池陰極燃料運(yùn)行成本降低。3、能源消耗少(無電源氧與氮分離)。4、無噪音(無空氣壓縮機(jī)和運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備)5、無消耗性材料(薄膜)，燃料運(yùn)行成本低。與背景技術(shù)的以空氣作陰極燃料、高溫重整室將陰極燃料加熱的固體氧化物燃料電池陰極燃料供給設(shè)備相比，具有結(jié)構(gòu)緊湊、電池發(fā)電效率高、尾氣余熱利用率高等優(yōu)點(diǎn)。


圖1是本實(shí)用新型的聚氧單元的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是圖1的A-A剖面圖。
圖3是本實(shí)用新型的聚氧裝置和熱交換器總體結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖說明本實(shí)用新型的具體的實(shí)施方式。
實(shí)施例1本實(shí)用新型的聚氧單元的結(jié)構(gòu)本實(shí)用新型的聚氧裝置是由許多平行排列的聚氧單元構(gòu)成的，聚氧單元的結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1中，5為骨架，可以使用有足夠強(qiáng)度的材料制作，比如銅材料，以能夠支撐其上的一組平行排列的圓環(huán)狀的磁軛6，骨架5由扁圓柱形支撐部分18和同軸的圓管19構(gòu)成，圓管19上開有順母線開口，扁圓柱形支撐部分18開有螺旋孔，以便將聚氧單元固定安裝在聚氧裝置內(nèi)。磁軛6有斷開的開口，開口處裝有兩塊永磁塊7，即，每個(gè)磁軛6開口處的兩個(gè)端頭相對裝有永磁塊7，兩永磁塊7的異性磁極是相對的；相鄰的兩磁軛6的永磁塊7磁極方向相同。磁軛6端頭安裝的兩永磁體7之間的位置與骨架5的順母線開口相重合，構(gòu)成富氧氣體進(jìn)口17；在磁軛6和骨架5的軸心13形成富氧空氣的通道，參見圖2。在骨架5兩端開有富氧通道14，富氧通道14連通每個(gè)磁軛6的軸心13和陰極燃料加熱管2。各圓環(huán)形磁軛6可以用隔離環(huán)8隔開。
永磁塊7使用釹鐵硼材料的永磁體比較合適。
實(shí)施例2 本實(shí)用新型的聚氧裝置和熱交換器總體結(jié)構(gòu)為固體氧化物燃料電池供給陰極燃料的聚氧裝置和熱交換器總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖3中，1為外殼，熱交換器的外殼1由外壁為鋼板、內(nèi)壁為不銹鋼板、中間填充絕熱材料構(gòu)成，其一側(cè)開有燃料電池尾氣的入口15和燃料電池尾氣的出口16，固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的尾氣為熱交換器供熱，絕熱材料可以是陶瓷氈或石棉；2為陰極燃料加熱管，平行排列裝在熱交換器內(nèi)；3為陰極燃料輸出管，其在熱交換器部分與每條陰極燃料加熱管2接通，其另一端與各單電池的氧化劑(即陰極燃料)注入口相通；4為聚氧單元，聚氧器由平行排列的高梯度磁場聚氧單元4組成。
圖3中，9為水箱，水箱9的下端和上端分別裝有的水入口10和水出口11穿過外殼1。水箱9在熱交換器中起到兩個(gè)作用第一，為外殼1靠近聚氧器的那部分降溫，使永磁塊7不受熱交換器高溫的影響；第二，被加熱的水用作陽極燃料的重整用水。圖3中，12為防護(hù)網(wǎng)，罩在聚氧裝置的外面在熱交換器內(nèi)裝多少陰極燃料加熱管2，在聚氧裝置內(nèi)裝多少聚氧單元4，可以由固體氧化物燃料電池的大小決定，單電池越多，需要的陰極燃料越多，則排列的陰極燃料加熱管2和聚氧單元4就會越多。
權(quán)利要求1.一種用于燃料電池的高梯度磁場聚氧裝置，其特征是，由高梯度磁場聚氧單元(4)組成，每個(gè)高梯度磁場聚氧單元(4)的結(jié)構(gòu)是在骨架(5)上并排安裝一組開口的圓環(huán)狀的磁軛(6)，每個(gè)磁軛(6)開口處的兩個(gè)端頭相對裝有永磁塊(7)，兩永磁塊(7)的異性磁極是相對的；相鄰的兩永磁塊(7)磁極方向相同；所說的骨架(5)由扁圓柱形支撐部分(18)和同軸的圓管(19)構(gòu)成，圓管(19)上開有順母線開口，扁圓柱形支撐部分(18)開有螺旋孔；圓管(19)上的順母線開口與磁軛(6)開口相重合構(gòu)成富氧氣體進(jìn)口(17)；在骨架(5)兩端開有富氧通道(14)，每個(gè)磁軛(6)的軸心(13)與富氧通道(14)相通，富氧通道(14)與燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的各單電池的氧化劑注入口相通。
2.按照權(quán)利要求1所述的用于燃料電池的高梯度磁場聚氧裝置，其特征是，每個(gè)高梯度磁場聚氧單元(4)中的各磁軛(6)之間用隔離環(huán)(8)隔開；在聚氧裝置的外面加防護(hù)網(wǎng)(12)。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的用于燃料電池的高梯度磁場聚氧裝置，其特征是，聚氧裝置和熱交換器作為一個(gè)整體用于固體氧化物燃料電池；所說的熱交換器，由鋼板填充絕熱材料構(gòu)成外殼(1)，外殼(1)上裝有尾氣入口(15)、尾氣出口(16)和陰極燃料輸出管(3)；其內(nèi)裝有陰極燃料加熱管(2)，每條陰極燃料加熱管(2)一端與聚氧裝置的富氧通道(14)相通，另一端都與陰極燃料輸出管(3)接通，陰極燃料輸出管(3)與各單電池的氧化劑注入口相通；在熱交換器靠近聚氧裝置的外殼(1)內(nèi)裝水箱(9)，水箱(9)的下端和上端分別裝有的水入口(10)和水出口(11)穿過外殼。
專利摘要本實(shí)用新型的用于燃料電池的高梯度磁場聚氧裝置屬固體氧化物燃料電池發(fā)電裝置的技術(shù)領(lǐng)域。聚氧器由高梯度磁場聚氧單元4組成，聚氧單元4的結(jié)構(gòu)是在骨架5上并排安裝一組開口的圓環(huán)狀的磁軛6，每個(gè)磁軛6開口處的端頭分別裝有永磁塊7，兩永磁塊7的異性磁極是相對的；磁軛6端頭安裝的兩永磁體7之間的位置與骨架5上開有的順母線開口相重合構(gòu)成富氧氣體進(jìn)口17；磁軛6和骨架5的軸心13形成富氧空氣的通道，在骨架5兩端開有富氧通道14與加熱陰極燃料用的熱交換器內(nèi)的陰極燃料加熱管連通。本實(shí)用新型具有設(shè)備投資少，陰極燃料運(yùn)行成本低；燃料電池發(fā)電效率提高、能源消耗少；結(jié)構(gòu)緊湊無噪音等特點(diǎn)。
文檔編號H01M8/10GK2901591SQ20062002853
公開日2007年5月16日 申請日期2006年4月4日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月4日
發(fā)明者裴力, 劉倩, 王德涌, 羅垚, 賀天民, 劉曉梅, 紀(jì)媛, 劉潤茹 申請人:吉林大學(xué)