专利名称：高温热源－氧浓差电池堆联合发电装置的制作方法
技术领域：
本发明属于动力发电的应用领域，特别涉及核动力发电领域。
背景技术：
全球变暖和酸雨是国际社会迫切希望解决的严重影响人类生活基础的问题。全球变暖的约50％是由CO2引起的，其中的80％是由于燃烧石油、煤、天然气和其它矿物燃料引起的。因此环境问题与能源消耗密切相关。核动力在发电过程中不会释放CO2，已成为人类从石油能源转换到非石油能源的重要方法。
高温气冷堆是国际上近几十年来发展起来的一种先进的核裂变型反应堆。该种反应堆通过核裂变反应在高温下提供热能。由于采用“全陶瓷”型包覆颗粒燃料元件，用石墨作为慢化剂与堆芯结构材料，以化学惰性的单相氦气作为冷却剂，因而堆芯能够承受高温，有很好的热稳定性和化学稳定性。近些年由于模块式堆芯技术的发展，高温气冷堆还实现了固有安全性。高温气冷堆除了一般核反应堆所具有的不产生CO2的特点外，还具有如下特点1)具有固有安全性整个寿期内，在任何事故情况下，反应堆都具有自停堆的能力，剩余发热可依靠非能动的自然机理传出堆外，保证堆芯不会发生熔化事故，不会发生威胁公众和环境安全的放射性产物释放。
2)一回路氦气出口温度可达950℃或更高，是现有各类反应堆中工作温度最高的堆型。
现有的模块式高温气冷堆的气体或蒸汽发电循环类型中，模块式高温气冷堆氦气透平直接循环系统发电效率最高，该种系统的高温氦气直接驱动氦气透平，透平同时带动发电机进行发电，如图1所示。在附图1中，11-反应堆堆本体；12-堆芯出口(温度可达950℃)；13-反应堆压力壳；14-堆芯入口(温度490℃)；15-发电机电极；16-发电机；17-涡轮入口；18-热气导管压力壳；19-压缩机Ⅰ；110-压缩机Ⅱ；111-气体透平系统压力壳；112-中间冷却器；113-预冷器；114-回热器；115-涡轮出口(温度513℃)；116-气体透平。在该种系统中，氦气从堆芯11的入口14进入堆芯后被加热，然后850℃的高温氦气经热气导管18进入涡轮机的入口直接驱动氦气透平116，透平116同时带动发电机16进行发电。从涡轮机的出口115出来的约513℃的氦气进入回热器114和预冷器113降温，然后流经压缩机19、中间冷却器112和压缩机110进一步降温和压缩。最后490℃的氦气经热气导管18的外层空间返回堆芯重新被加热进入下一个循环。
高温气冷堆虽然是解决会严重影响人类生活基础的全球变暖和酸雨之类环境问题的重要方法之一，但由于采用气体透平或蒸汽透平发电，系统的转动件多，结构复杂，高温气体透平制造成本极高，发电效率低。
燃料电池堆是一种靠从外部供给燃料(化学原料)，通过直接氧化将化学能转化为电能的发电装置。由于单个原电池的电位差很小，这种装置通常是由许多独立的燃料电池单元串、并联组成。
图2所示为两个电池单元串联组成的燃料电池。图中21-导线与阴极之间的连接层；22-空气阴极；23-固体电解质层；24-阳极；25-相邻电池单元之间的连接层；26-导线与阳极之间的连接层；27-出口管；28-出口端堵头；29-阳极引线；210-入口端堵头；211-入口管；212-多孔支承管。从图中可以看出燃料电池单元由固体电解质层23、空气阴极22和阳极24构成。其基本工作原理是把气态燃料，例如H2,O2和CO混合气体引入燃料电池的支承管内腔，把空气或氧气引入阳极，由于电极间有15-20个数量级的氧活度差，从而产生了的0.7-1伏的电动势。
许多燃料电池串、并联构成燃料电池堆。图3是固体氧化物燃料电池堆示意图。图中31-喷射泵；32-压缩机；33-电机；34-残余燃料的催化燃烧器；35-预热器；36-燃料电池；37-空气加热器；38-隔热层；39-阳极气体循环回路；310-泄漏的燃料；311-辅助加热用的气体。可以看出，燃料电池堆由许多燃料电池36串、并联在一起，并位于隔离层38内部。电池外表面形成燃料电池堆的阴极侧，电池组的内表面形成燃料电池堆的阳极侧。阴极侧通入来自压缩机32，经空气加热器311,37加热的空气。空气中的氧气经催化后成为氧离子通过单电池的ZrO2固体电解质层后被还原成氧气进入阳极回路39。阳极回路39通入来自喷射泵31并经预热器35加热的天然气。当从阴极进入阳极回路中氧气与阳极回路39中的燃料反应时，从阴极进入阳极侧的氧气被燃料及时耗损掉。这样，在电池单元的固体电解质两侧形成氧气分压差，约15-20个数量级的氧分压差。电池单元产生的0.7-1伏的电动势是很低的，输出的电流强度也是很有限。但是，由成千上万的电池单元串，并联组成的燃料电池堆总的电压，电流输出是相当可观的。由于燃料电池堆采用快离子导体作为固体电解质，因而其工作温度可达500-1000℃。
燃料电池堆具有如下的特点1)能量转换效率高一般说来，火力发电及压水堆发电，由于受到卡诺循环的限制，效率≤40％，即使采用高温气冷堆气体透平发电，发电效率≤50％。而燃料电池堆不受卡诺循环的限制，其发电效率可达50％以上。
2)结构简单，转动部件少，噪音小，工作温度可以很高。
3)辅助控制系统复杂。需要具备供给燃料，氧化剂以及生成水(若采用H2作燃料)和热的排出系统。
4)若使用天燃气，粗气油和煤气等作燃料，燃料电池堆将产生二氧化碳，从而对环境造成不利影响，如“温室效应”。若采用价格昂贵的氢气作燃料，发电成本将大大增加。
从上面内容可以看出，高温气冷堆-透平发电装置虽具有不产生二氧化碳的优点，但高速转动件多，结构复杂，发电效率低。固体氧化物燃料电池堆不受卡诺循环的限制，发电效率高，结构简单，转动部件少，噪音小，工作温度高。但是当使用廉价燃料时仍将对环境造成不利的影响。
发明内容
本发明的目的在于提出一种高温热源-氧浓差电池堆联合发电装置，使其既能保留高温气冷堆-透平发电和固体氧化物燃料电池发电的优点，同时又能克服二种发电装置的不足。
本发明提出的一种高温热源-氧浓差电池堆联合发电装置，其特征在于，包括由多个采用快离子导体作为固体电解质的电池通过串、并联构成的氧浓差电池堆，该电池堆设于一氧气室内部，各电池的内腔连通构成一加热回路；还包括与加热回路相连通的产生高温的热源及氧气分离系统，该氧气分离系统包括一个入口、一个氧气出口和一个分离出氧气后的剩余气体的出口，该入口与所说的加热回路相连，其氧气出口和剩余气体出口分别与所说的氧气室和加热回路相通。
所说的加热回路还可设置有换热器，该换热器将该加热回路分隔为与高温热源、风机和换热器一侧连通的一回路和与氧浓差电池堆、氧气分离系统和换热器另一侧连通的二回路。
本发明提出的又一种高温热源-氧浓差电池堆联合发电装置，其特征在于，包括由多个采用快离子导体作为固体电解质的电池通过串、并联构成的氧浓差电池堆，该电池堆设于一氧气室内部，在该氧气室内部各电池之间设置有多个热交换元件，各热交换元件连通构成一加热回路；还包括与加热回路相连通的产生高温的热源及真空泵和补氧器的补氧通路，该补氧通路的入口与所说的各电池的内腔连通，其出口与所说的氧气室相通。
所说的加热回路还可设置有换热器，该换热器将该加热回路分隔为与高温热源、风机和换热器一侧连通的一回路和与氧浓差电池堆、真空泵和换热器另一侧连通的二回路。
上述的两种联合发电装置中的高温热源可为高温气冷堆或热核聚变堆中的一种或燃油炉、燃煤炉和燃气炉中的任何一种。
上述的两种联合发电装置中的加热二回路还可设置有压缩机；在所说的一、二回路之间可设置有由气/气换热的中间换热器构成的第三个回路；在所说的二回路中还可设置有废热锅炉一蒸汽透平循环辅助发电装置；在所说的一回路中还可设置有蒸汽透平辅助发电装置。
本发明所说的氧浓差电池的电池单元由固体电解质薄层和位于薄层两侧的阴极层和阳极层复合而成。氧浓差电池由电池单元串、并联组成。氧浓差电池进一步串、并联构成氧浓差电池堆。
本发明与传统的高温气冷堆一透平发电和燃料电池堆发电相比具有如下的优点1)高温热源采用高温气冷堆时具有不产生引起温室效应的二氧化碳的特点。
2)能量转换效率高。
3)高速转动部件少，噪声小，结构简单。
4)各回路的工作压力低。
由于不需要高温气体驱动气\蒸透平发电，因而高温堆一回路可以在较低压力下工作。这将有利于降低高温气冷堆对结构，材料和高温压力容器的要求，有利于提高高温气冷堆堆芯入口温度和安全性。
5)氧浓差电池堆的工作温度高，可以充分发挥高温气冷堆堆芯温度高的优点。
图1为已有的一种模块式高温气冷堆氦气透平直接循环系统组成示意图。
图2为已有的两个电池单元串联组成的燃料电池结构示意图。
图3为已有的固体氧化物燃料电池堆示意图。
图4为本发明采用氧气分离系统的高温气冷堆-氧浓差电池堆直接循环系统组成示意图。
图5为本发明采用真空泵系统的高温气冷堆-氧浓差电池堆直接循环系统组成示意图。
图6为本发明采用氧气分离系统的高温气冷堆-氧浓差电池堆间接循环系统示意图。
图7为本发明采用真空泵系统的高温气冷堆-氧浓差电池堆间接循环系统示意图。
图8为本发明采用氧气分离系统和在二回路设置蒸汽-汽轮机循环的高温气冷堆-氧浓差电池堆间接循环系统示意图。
图9为本发明采用真空泵系统和在二回路设置蒸汽-汽轮机循环的高温气冷堆-氧浓差电池堆间接循环系统示意图。
图10为本发明采用氧气分离系统和在一、二回路均设置有蒸汽-汽轮机循环的高温气冷堆-氧浓差电池堆间接循环系统示意图。
图11为本发明采用氧气分离系统燃气炉-氧浓差电池堆间接循环系统示意图。
图12为本发明采用真空泵系统燃气炉-氧浓差电池堆间接循环系统示意图。
图13为本发明采用氧气分离系统的高温气冷堆-氧浓差电池堆联合制氢装置示意图。
图14为本发明采用真空泵系统的高温气冷堆-氧浓差电池堆联合制氢装置示意图。
图15为本发明采用氧气分离系统和三个回路系统的高温气冷堆-氧浓差电池堆间接循环系统。
图16为本发明单个电池单元组成的氧浓差电池(阳极侧通入氦气或氮气)示意图。
图17为本发明单个电池单元组成的氧浓差电池(阳极侧处于真空状态)示意图。
图18本发明的板状氧浓差电池示意图。
图19为本发明的圆管状氧浓差电池示意图。
具体实施例方式本发明的实施例结合各附图详细说明如下
实施例1为采用氧气分离系统的高温气冷堆-氧浓差电池堆直接循环系统的发电装置。其结构如图4所示。图中41-高温气冷堆；42-风机；43-氧气分离系统；44-补氧器；45-氧氦混合气体输运管道；46-氧气室；47-氧浓差电池；48-卡槽；49-热电偶；410-氧气室壁；411-温度控制系统；412-保温层；413-外壳；414-预热器。从图中可以看出，从高温气冷堆堆芯出来的高温氦气直接穿过氧浓差电池堆的氧浓差电池47的内腔，加热氧浓差电池堆中的氧浓差电池使其温度达500-1000℃。氧气室内氧气的一部分在电化学反应过程中进入氧浓差电池内腔的氦气循环中，氧浓差电池产生电压输出。进入氧浓差电池的内腔的氧气与氦气混合后被送入氧气分离系统43。分离出的氧气被送入补氧器44。补氧器给氧气室补氧使氧浓差电池外部的氧气室中的氧气量和氧分压值基本不变。分离出的氦气经管道由风机送入堆芯加热，然后进入氧浓差电池的内腔以维持氧浓差电池的内腔的低氧气分压值。
实施例2为采用真空泵系统的高温气冷堆-氧浓差电池堆直接循环系统的联合发电装置。其结构如图5所示。图中51-高温气冷堆；52-风机；53-氧浓差电池；54-卡槽；55-钢壳；56-热电偶；57-氧气室壁；58-温度控制系统；59-补氧器；510-真空泵；511-氧气输运管道；512-氧气室；513-保温层；514-热交换组件；515-氧气室。
从图中可以看出，从高温气冷堆堆芯出来的高温氦气直接穿过氧气室内换热组件514的内腔，加热氧浓差电池堆中的氧浓差电池使其温度达500-1000℃。氧气室512、515内氧气的一部分在电化学反应过程中进入氧浓差电池53的内腔中，氧浓差电池产生电压输出。进入氧浓差电池的内腔的氧气被真空泵510抽走送入补氧器59以维持氧浓差电池的内腔的真空度。补氧器给氧气室补氧使氧浓差电池外部的氧气室中的氧气量和氧分压值基本不变。
实施例3为采用氧气分离系统的高温气冷堆-氧浓差电池堆间接循环系统联合发电装置。其结构如图6所示。图中61-高温气冷堆；62-风机；63-换热器；64-氧浓差电池；65-卡槽；66-热电偶；67-氧气室壁；68-压缩机；69-氧气分离系统；610-补氧器；611-氧气室；612-温度控制系统；613-保温层；614-外壳；615-预热器。
该系统有两个回路。一回路由高温气冷堆、风机和换热器组成。氧浓差电池堆由许多串、并联在一起的氧浓差电池组成。氧浓差电池堆位于氧气室内。氧气室由氧浓差电池外壁与氧气室壁构成。氧浓差电池堆、换热器以及压缩机组成二回路。氦气或氮气在二回路中的运动过程是经换热器出来的高温氦气或氮气通过管道进入氧浓差电池64的内腔加热氧浓差电池使其温度达500-1000℃，氧浓差电池外部的氧气室内的氧气在电化学反应过程中进入氧浓差电池内腔，与氦气混合后被送入氧气分离系统。分离出的氧气经补氧器送往氧气室611。分离出的氦气经二回路管道送往换热器升温后重新被送回氧浓差电池内部以维持氧浓差电池的内腔的低氧气分压值。处于高温状态的氧浓差电池的内部和外部存在氧气压力差时，氧浓差电池可对外输出电压和电流，从而氧浓差电池堆可对外输出电压和电流。图6中所示的氧气分离系统采用对氧气和氦气的混和气体进行压缩和深度冷却分离出氧气和氦气。需要说明的是利用分子筛的选择性吸附也可以将氧气和氦气的混和气体分离成氧气和氦气。
实施例4为采用真空泵系统的高温气冷堆-氧浓差电池堆间接循环系统联合发电装置。其结构如图7所示。图中71-高温气冷堆；72-风机；73-压缩机；74-氧浓差电池；75-卡槽；76-钢壳；77-热电偶；78-氧气室壁；79-温度控制系统；710-保温层；711-热交换组件；712-氧气室；713-补氧器；714-真空泵；715-氧气输运管道；716-氧气室；717-换热器。该系统有两个回路。一回路由高温气冷堆、风机和换热器组成。氧浓差电池堆由许多串、并联在一起的氧浓差电池组成。氧浓差电池堆位于氧气室内。氧气室内壁、氧浓差电池外壁和氧气室内热交换组件外壁构成的空腔充以氧气。二回路由氧浓差电池堆、压缩机和换热器组成，其循环介质为氦气或氮气。二回路中氦气或氮气的运动过程是经换热器出来的高温氦气或氮气通过管道进入氧气室内的换热组件内部加热氧气室内的氧浓差电池使其温度达500-1000℃。氧气室内的氧气在电化学反应后一部分进入氧浓差电池内腔。然后经真空泵抽取被送入补氧器。补氧器给氧气室补氧以维持氧气室的氧气量和氧分压值基本不变。真空泵对氧浓差电池内腔氧气的不断抽取维持氧浓差电池的内腔的低氧气分压值。处于高温状态的氧浓差电池的内部和外部存在氧气压力差时，氧浓差电池可对外输出电压和电流。
实施例5为采用氧气分离系统和在二回路设置蒸汽-汽轮机循环的高温气冷堆-氧浓差电池堆间接循环系统的联合发电装置。其结构如图8所示。图中81-高温气冷堆；82-中间换热器；83-风机；84-补氧器；85-氧浓差电池堆和氧气室，氧浓差电池堆位于氧气室内；86-废热锅炉；87-发电机；88-冷凝器；89-汽轮机；810-水泵；811-氧气分离系统。从图中可以看出，来自高温气冷堆一回路的高温氦气通过连接一回路与二回路的中间换热器将热量传给二回路中的氦气。被加热的氦气给电池堆的氧浓差电池提供热量，使之在500-1000℃下工作。氧气室内氧气的一部分在电化学反应过程中进入氧浓差电池内腔。进入氧浓差电池内腔的氧气与氦气混合后被送入氧气分离系统。分离出的氧气被送入补氧器。补氧器给氧气室补氧使氧气室的氧气量和氧分压值基本不变。分离出的氦气经管道送入中间换热器加热，然后出中间换热器进入氧浓差电池内腔以维持氧浓差电池的内腔的低氧气分压值。
为了提高高温气冷堆-氧浓差电池联合发电装置的发电效率，将蒸汽轮机循环与高温气冷堆-氧浓差电池循环相互结合起来构成高温气冷堆-氧浓差电池堆-蒸汽联合循环。从氧浓差电池内腔出来的氧气与氦气混合气体温度很高。在氧浓差电池堆与氧气分离系统之间建立废热锅炉一蒸汽透平循环，让混合气体进入余热锅炉加热给水，产生高温、高压水蒸汽进入蒸汽轮机中做功。由此构成余热锅炉型的高温气冷堆-氧浓差电池-蒸汽联合循环。蒸汽循环产生的动力作辅助发电或给氧气分离系统提供动力。
实施例6为采用真空泵系统和在二回路设置蒸汽-汽轮机循环的高温气冷堆-氧浓差电池堆间接循环系统联合发电装置。其结构如图9所示。图中91-高温气冷堆；92-中间换热器；93-风机；94-氧浓差电池堆和氧气室，氧浓差电池堆位于氧气室内；95补氧器；96-真空泵系统；97-发电机；98-冷凝器；99-水泵；910-汽轮机；911-废热锅炉。来自高温气冷堆一回路的高温氦气通过连接一回路与二回路的中间换热器将热量传给二回路中的氦气。被加热的氦气流经氧气室内热交换组件的内腔时给氧浓差电池提供热量，使之能在500-1000℃下工作。氧气室内的高温氧气的一部分在电化学反应过程中进入真空室。进入真空室的氧气经真空泵系统抽取后氧浓差电池产生电压输出。进入氧浓差电池的内腔的氧气被真空泵抽走送入补氧器以维持氧浓差电池的内腔的真空度。补氧器给氧气室补氧使氧浓差电池外部的氧气室中的氧气量和氧分压值基本不变。
为了提高高温气冷堆-氧浓差电池堆联合发电装置的发电效率，将蒸汽轮机循环与高温气冷堆-氧浓差电池循环相互结合起来构成高温气冷堆-氧浓差电池堆-蒸汽联合循环。从氧浓差电池内腔出来的氧气温度很高。在氧浓差电池堆真空泵系统之间建立废热锅炉--蒸汽透平循环，让混合气体进入余热锅炉加热给水，产生高温、高压水蒸汽进入蒸汽轮机中做功。由此构成余热锅炉型的高温气冷堆-氧浓差电池堆-蒸汽联合循环。蒸汽循环产生的动力作辅助发电或给真空泵系统提供动力。
实施例7为采用氧气分离系统和在一、二回路均设置有蒸汽-汽轮机循环的高温气冷堆-氧浓差电池堆间接循环系统的联合发电装置。如图10所示。图中101-高温气冷堆；102-中间换热器；103-蒸汽发生器；104-发电机G1； 105-冷凝器Ⅰ；106-汽轮机Ⅰ；107-水泵Ⅰ；108-风机；109-补氧器；1010-氧浓差电池堆和氧气室，氧浓差电池堆位于氧气室内；1011-废热锅炉；1012-发电机62；1013-冷凝器Ⅱ；1014-汽轮机Ⅱ；1015-水泵Ⅱ；1016-氧气分离系统。从图中可以看出，该种循环区别于实施例5、6中的联合循环在于在一回路设置了蒸汽发生器。其目的是为了获得较低的一回路氦气堆芯入口温度，降低对高温气冷堆堆底结构与材料和高温气冷堆压力容器的要求。显然，在本实施例以外的其它例子中，为了获得较低的一回路堆芯入口温度，均可采用在一回路加设蒸汽发生器获得较低的一回路氦气堆芯入口温度。
实施例8为采用氧气分离系统的燃气炉-氧浓差电池堆间接循环系统的联合发电装置。其结构如图11所示。图中111-高温燃气炉；112-氧浓差电池；113-卡槽；114-热电偶；115-氧气室壁；116-压缩机；117-氧气分离系统；118-预热器；119-补氧器；1110-温度控制系统；1111-保温层；1112-外壳；1113-氧气室；1114-换热器；1115-风机。从图中可以看出，燃气炉产生的高温气体通过换热器将热量传给由换热器、氧浓差电池堆和氧气分离系统组成的回路中的氦气或氮气。被加热的氦气或氮气给氧浓差电池堆的氧浓差电池提供热量，使之能在500-1000℃下工作。氧气室内氧气的一部分在电化学反应过程中进入氧浓差电池内腔。进入氧浓差电池内腔的氧气与氦气或氮气混合后被送入氧气分离系统。分离出的氧气进入补氧器。补氧器给氧气室补氧使氧气室的氧气量和氧分压值基本不变。分离出的氦气或氮气经管道送入中间换热器加热，然后出中间换热器进入氧浓差电池内腔以维持氧浓差电池的内腔的低氧气分压值。
实施例9为采用真空泵系统的燃气炉-氧浓差电池堆间接循环系统的联合发电装置。其结构如图12所示。图中121-高温燃气炉；122-压缩机；123-氧浓差电池；124-卡槽；125-钢壳；126-热电偶；127-氧气室壁；128-温度控制系统；129-补氧器；1210-真空泵；1211-氧气输运管道；1212-氧气室；1213-热交换组件；1214-保温层；1215-氧气室；1216-换热器；1217-风机。从图中可以看出，燃气炉121产生的高温气体通过换热器1216将热量传给由换热器、氧气室内热交换组件和压缩机组成的回路中的氦气或氮气。被加热的氦气或氮气流经氧浓差电池堆氧气室内热交换组件的内腔时给氧浓差电池提供热量，使之能在500-1000℃下工作。氧气室内的高温氧气的一部分在电化学反应过程中进入真空室。进入真空室的氧气经真空泵系统抽取后氧浓差电池产生电压输出。进入氧浓差电池的内腔的氧气被真空泵抽走送入补氧器以维持氧浓差电池的内腔的真空度。补氧器给氧气室补氧使氧浓差电池外部的氧气室中的氧气量和氧分压值基本不变。
实施例10为采用氧气分离系统的高温气冷堆-氧浓差电池堆联合制氢装置。其结构如图13所示。图中131-高温气冷堆；132-风机；133-换热器；134-氧浓差电池；135-卡槽；136-储氢装置；137-热电偶；138-氧气室壁；139-温度控制系统；1310-保温层；1311-外壳；1312-压缩机；1313-氧气分离器；1314-预热器；1315-储氧器；1316-废热锅炉； 1317-氧气室。从图中可以看出，该种循环区别于实施例5中的装置在于在废热锅炉产生的蒸汽导入氧气室。其目的是使水蒸汽在高温下分解成氧气和氢气后，氧气在电化学反应过程中进入氧浓差电池的内腔，而在在氧气室剩下的气体介质为一定纯度的氢气。
实施例11为采用真空泵系统的高温气冷堆-氧浓差电池堆联合制氢装置。其结构如图14所示。图中141-高温气冷堆；142-风机；143-压缩机；144-换热器；145-余热锅炉；146-氧浓差电池；147-钢壳；148-温度控制系统；149-热电偶；1410-氧气室壁；1411-储氧器；1412-真空泵；1413-保温层；1414-热交换组件；1415-氧气室；1416-氧气输运管道；1417-氧气室；1418-储氢装置。从图中可以看出，该种循环区别于实施例6中的装置在于在废热锅炉产生的蒸汽导入氧气室。其目的是使水蒸汽在高温下分解成氧气和氢气，氧气在电化学反应过程中进入氧浓差电池的内腔，而在在氧气室剩下的气体介质为一定纯度的氢气。
实施例12为采用氧气分离系统和三个回路系统的高温气冷堆-氧浓差电池堆间接循环系统的联合发电装置。其结构如图15所示。图中151-高温气冷堆；152-一、三回路之间换热器；153-风机；154-二、三回路之间换热器；155-压缩机；156-补氧气；157-氧浓差电池堆和氧气室，氧浓差电池堆位于氧气室内；158-氧气分离器。从图中可以看出，来自高温气冷堆一回路的高温氦气通过连接一回路与三回路的一、三回路之间换热器152将热量传给三回路中的氦气。被加热的氦气又通过连接三回路与二回路的二、三回路之间换热器154将热量传给二回路中的氦气。被加热的二回路中的氦气流经氧浓差电池内腔时给电池堆的氧浓差电池提供热量，使之在500-1000℃下工作。氧气室内的氧气的一部分在电化学反应过程中进入氧浓差电池内腔。进入氧浓差电池内腔的氧气与氦气混合后被送入氧气分离器158。分离出的氧气被送入补氧器156。分离出的氦气经管道被送入二、三回路之间换热器154加热，然后出换热器154进入氧浓差电池内腔以维持氧浓差电池内腔的低氧分压值。
图16是与采用氧气分离系统的发电装置相配的单个电池单元组成的氧浓差电池。图中161-阴极层；162-固体电解质层；163-阳极层；164-阳极侧；165-多孔支承管；166-阴极侧；167-负载；168-带保温层的壳体。从图中可以看出氧浓差电池单元由固体电解质层、阴极层、阳极层和支承管构成。其基本工作原理是把高温氦气或氮气，引入内电极(阳极层)；把氧气或氧气与氦气的混合气体引入外电极(阴极层)，并使阴极侧的氧气的压力远大于阳极侧氧气的压力。处于高温状态的氧浓差电池，例如其温度达500-1000℃，的电极间存在氧活度差时将产生电动势。
在图17是与采用真空泵系统的发电装置相配的单个电池单元组成的氧浓差电池。图中171-阴极层；172-固体电解质层；173-阳极层；174-阳极侧(真空室)；175-多孔支承层；176-阴极侧；177-负载；178-带保温层的壳体。氧浓差电池单元由固体电解质层、阴极层、阳极层和支承管构成。其基本工作原理是利用真空泵使内电极(阳极层)侧处于一定的真空状态；将高温氧气引入外电极(阴极层)，并使阴极侧的氧气的压力远大于阳极侧氧气的压力。处于高温状态的氧浓差电池的电极间存在氧活度差，从而产生了电动势。
单个电池单元组成的氧浓差电池所能产生的电动势是非常小的。因此实际氧浓差电池是由若干电池单元串联或串联加并联组成的。
图18是一种板状氧浓差电池的结构示意图。图中181-导线与阴极之间的连接层；182-阴极层；183-固体电解质薄层；184-阳极层；185-相邻电池单元之间的引线；186-导线与阳极之间的连接层；187-气体出口管；188-框架；189-阳极引线；1810-支承板；1811-气体入口管。
连接层181和连接层186的材料为银或银钯合金。阴极层182的材料为锰酸镧La0.9Sr0.1MnO3或La0.95-xSrxMnO3(x=0.1-0.3)或La0.9-xSrxMnO3(x=0.1-0.3)，空隙率为20-60％。阴极层采用丝网印刷方法将锰酸镧或铬酸镧印刷在氧化锆薄层上，经烧结附着在氧化锆薄层上，或利用等离子喷涂方法喷涂在氧化锆薄层上，或利用轧膜、干压、流延、压铸等方法制成膜，在烧结前与氧化锆薄层复合然后烧结成一体。固体电解质层183的材料为氧化锆ZrO2+Y2O3(8mol％)，其实际密度达到理论密度的95％以上，最好达到100％，可以利用化学气相沉积或电化学气相沉积、等离子喷涂或烧结技术制成。阳极层184的材料为铬酸镧La0.9Sr0.1CrO3或La0.95-xSrxCrO3(x=0.1-0.3)或La0.9-xSrxCrO3(x=0.1-0.3)或锰酸镧La1-xSrxMnO3(x=0.1-0.3)或La0.95-xSrxMnO3(x=0.1-0.3)或La0.9-xSrxMnO3(x=0.1-0.3)，空隙率为20-40％。阳极层采用丝网印刷方法将锰酸镧或铬酸镧印刷在氧化锆支承板外表面上，经烧结附着在氧化锆支承板上，或利用等离子喷涂方法喷涂在氧化锆支承板上，或利用轧膜、干压、流延、压铸等方法制成膜，在烧结前与氧化锆支承板外表面复合然后烧结成-体。烧成后的引线185和阳极引线189的实际密度达到理论密度的95％以上，最好达到100％。当烧成后的引线致密性差时，在引线烧成后用高温玻璃或与高温玻璃类似的密封材料密封。引线材料为铬酸镧La1-xSrxCrO3(x=0.1-0.3)或La0.95-xSrxCrO3(x=0.1-0.3)或La0.9-xSrxCrO3(x=0.1-0.3)，铬酸镧加钴La1-xSrxCr1-yCoyO3(x=0.1-0.3,y=0.1-0.3)，或锰酸镧La1-xSrxMnO3(x=0.1-0.3)或La0.95-xSrxMnO3(x=0.1-0.3)或La0.9-xSrxMnO3(x=0.1-0.3)，或银，或银钯合金。气体出口管187(在此种氧浓差电池用于采用真空泵系统的高温气冷堆-氧浓差电池堆联合发电装置时气体出口管被封闭)、气体入口管1811和框架188的材料为部分稳定的氧化锆，例如ZrO2+Y2O3(3mol％)或(ZrO2)0.85(CaO)0.15，其实际密度达到理论密度的95％以上，最好达到100％。支承板1810的材料为部分稳定的氧化锆ZrO2+Y2O3(3mo1％)或(ZrO2)0.85(CaO)0.15，其空隙率为20-40％。
图19是管状氧浓差电池的结构示意图。图中191-导线与阴极之间的连接层；192-阴极层；193-固体电解质薄层；194-阳极层；195-相邻电池单元之间的引线；196-导线与阳极之间的连接层；197-气体出口管；198-支承管的气体出口端堵头；199-阳极引线；1910-支承管的气体入口端堵头；1911-气体入口管；1912-支承管。
连接层191和连接层196的材料为银或银钯合金。阴极层192的材料为锰酸镧La0.9Sr0.1MnO3或Lan0.95-xSrxMnO3(x=0.1-0.3)或La0.9-xSrxMnO3(x=0.1-0.3)，空隙率为20-60％。阴极采用丝网印刷方法将锰酸镧或铬酸镧印刷在氧化锆薄层上，经烧结附着在氧化锆薄层上，或利用等离子喷涂方法喷涂在氧化锆薄层上，或利用轧膜、干压、流延、压铸等方法制成膜，在烧结前与氧化锆薄层复合然后烧结成一体。阳极层194的材料为铬酸镧La0.9Sr0.1CrO3或La0.95-xSrxCrO3(x=0.1-0.3)或La0.9-xSrxCrO3(x=0.1-0.3)或锰酸镧La1-xSrxMnO3(x=0.1-0.3)或La0.95-xSrxMnO3(x=0.1-0.3)或La0.9-xSrxMnO3(x=0.1-0.3)，空隙率为20-40％。阳极采用丝网印刷方法将锰酸镧或铬酸镧印刷在氧化锆支承管外表面上，经烧结附着在氧化锆支承管上，或利用等离子喷涂方法喷涂在氧化锆支承管上，或利用轧膜、干压、流延、压铸等方法制成膜，在烧结前与氧化锆支承管外表面复合然后烧结成一体。固体电解质薄层193的材料为氧化锆ZrO2+Y2O3(8mol％)，其实际密度达到理论密度的95％以上，最好达到100％，可以利用化学气相沉积、等离子喷涂或烧结技术制成。为了防止气体从引线处漏出，烧成后的引线195和阳极引线199的实际密度达到理论密度的95％以上，最好达到100％，当烧成后的引线致密性差时，在引线烧成后用高温玻璃或与高温玻璃类似的密封材料密封。引线材料为铬酸镧La1-xSrxCrO3(x=0.1-0.3)或La0.95-xSrxCrO3(x=0.1-0.3)或La0.9-xSrxCrO3(x=0.1-0.3)，铬酸镧加钴La1-xSrxCr1-yCoyO3(x=0.1-0.3，y=0.1-0.3)，或锰酸镧La1-xSrxMnO3(x=0.1-0.3)或La0.95-xSrxMnO3(x=0.1-0.3)或La0.9xSrxMnO3(x=0.1-0.3)，或银，或银钯合金。气体出口管197(当此种氧浓差电池用于采用真空泵系统的高温气冷堆-氧浓差电池堆联合发电装置时，此出口封闭)、支承管的气体出口端堵头198、气体入口端堵头1910和气体入口管1911的材料为部分稳定的氧化锆，例如ZrO2+Y2O3(3mol％)或(ZrO2)0.85(CaO)0.15，其实际密度达到理论密度的95％以上，最好达到100％。支承管1912的材料为部分稳定的氧化锆ZrO2+Y2O3(3mol％)或(ZrO2)0.95(CaO)0.15，其空隙率为20-40％。
权利要求
1.一种高温热源-氧浓差电池堆联合发电装置，其特征在于，包括由多个采用快离子导体作为固体电解质的电池通过串、并联构成的氧浓差电池堆，该电池堆设于一氧气室内部，各电池的内腔连通构成一加热回路；还包括与加热回路相连通的产生高温的热源及氧气分离系统，该氧气分离系统包括一个入口、一个氧气出口和一个分离出氧气后的剩余气体的出口，该入口与所说的加热回路相连，其氧气出口和剩余气体出口分别与所说的氧气室和加热回路相通。
2.一种高温热源-氧浓差电池堆联合发电装置，其特征在于，包括由多个采用快离子导体作为固体电解质的电池通过串、并联构成的氧浓差电池堆，该电池堆设于一氧气室内部，在该氧气室内部各电池之间设置有多个热交换元件，各热交换元件连通构成一加热回路；还包括与加热回路相连通的产生高温的热源及真空泵和补氧器的补氧通路，该补氧通路的入口与所说的各电池的内腔连通，其出口与所说的氧气室相通。
3.如权利要求1或2所说的发电装置，其特征在于，所说的高温热源为高温气冷堆或热核聚变堆中的一种或燃油炉、燃煤炉和燃气炉中的任何一种。
4.如权利要求1所说的发电装置，其特征在于，所说的加热回路还设置有换热器，该换热器将该加热回路分隔为与高温热源、风机和换热器一侧连通的一回路和与氧浓差电池堆、氧气分离系统和换热器另一侧连通的二回路。
5.如权利要求2所说的发电装置，其特征在于，所说的加热回路还设置有换热器，该换热器将该加热回路分隔为与高温热源、风机和换热器一侧连通的一回路和与氧浓差电池堆、真空泵和换热器另一侧连通的二回路。
6.如权利要求4或5所说的发电装置，其特征在于，所说的加热二回路还设置有压缩机。
7.如权利要求4或5所说的发电装置，其特征在于，在所说的一、二回路之问设置有由气/气换热的中间换热器构成的第三个回路。
8.如权利要求4或5所说的发电装置，其特征在于，在所说的二回路中还设置有废热锅炉一蒸汽透平循环辅助发电装置。
9.如权利要求7所说的发电装置，其特征在于，在所说的二回路中还设置有废热锅炉一蒸汽透平循环辅助发电装置。
10.如权利要求4或5所说的发电装置，其特征在于，在所说的一回路中还设置有蒸汽透平辅助发电装置。
11.如权利要求6所说的发电装置，其特征在于，在所说的一回路中还设置有蒸汽透平辅助发电装置。
12.如权利要求7或9所说的发电装置，其特征在于，在所说的一回路中还设置有蒸汽透平辅助发电装置。
13.如权利要求8所说的发电装置，其特征在于，在所说的一回路中还设置有蒸汽透平辅助发电装置。
全文摘要
本发明属于动力发电的应用领域。本发明将高温热源和氧浓差电池堆组成发电装置,高温热源产生的热量使氧浓差电池处于高温工作状态,氧浓差电池堆由许多串、并联在一起的氧浓差电池组成并位于氧气室内;补氧器通过管道与氧气室相连,并给氧气室提供氧气。氧浓差电池内腔具有比氧浓差电池外部低的氧分压。本发明发电效率高,高速转动部件少,对环境污染小。
文档编号H01M8/24GK1323074SQ0112013
公开日2001年11月21日 申请日期2001年7月6日 优先权日2001年7月6日
发明者董建令 申请人:清华大学