专利名称：一种直接碳燃料电池反应装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种直接碳燃料电池反应装置，属于直接碳燃料电池技术领域。
背景技术：
燃料电池可将储存在燃料中的化学能直接转化为电能，不受卡诺循环限制，具有能量转 换效率高、洁净、无污染、噪声低、模块结构性强、比功率高等优点，受到世界各国广泛的 重视。
其中，直接碳燃料电池(Direct Carbon Fuel Cell, DCFC)与使用气体或液体燃料的燃料 电池不同，直接碳燃料电池直接以固体碳作为燃料，其独特优势在于电池理论效率更高； 直接使用固体碳燃料，省去气化环节；固体碳燃料体积小、热值高，储藏运输方便；同时固 体碳燃料有望通过对储量丰富的煤炭进行简单加工处理而得到，燃料来源更为广泛。
直接碳燃料电池因其燃料使用类型而得名。近年来，随着材料科学和燃料电池技术的发 展，已经开发出多种电解质材料的直接碳燃料电池。电解质是电池的核心部件，不同电解质 材料能够传导的导电离子可能不同，进而反应机理也不同，常见的电解质是熔融氢氧化物、 熔融碳酸盐和固体氧化物电解质。本专利申请主要针对固体氧化物电解质直接碳燃料电池。 1965年，Zahradnik将煤气化单元和高温固体氧化物燃料电池相结合，建立了固体氧化物电 解质的直接碳燃料电池。1988年日本的Nakagawa和Ishida更加深入地研究了该过程。美国 Akron大学Chuang等人在单电池实验中采用固定床反应器，将固体碳粒放在电极表面进行反 应。美国Stanford大学Gur等人也开展了对固体氧化物电解质直接碳燃料电池的研究。与 Akron大学不同，Gur的研究中碳并不与电池阳极直接接触。由此可见，该类型直接碳燃料电 池主要由固体碳燃料和固体氧化物燃料电池两部分组成。本专利申请主要针对碳燃料与固体 氧化物燃料电池不直接接触情况。
目前固体氧化物电解质直接碳燃料电池技术尚处于起步阶段，其反应机理、运行特性、 工作条件、材料体系等有待进一步研究。在这种情况下，直接碳燃料电池反应装置中使用纽
扣式固体氧化物燃料电池就显得更有意义。纽扣式固体氧化物燃料电池一面为阳极， 一面为 阴极，电解质夹在阴阳极之间，它具有实验测试相对简单、数据可重复性好、气体流动影响 小等优点，对直接碳燃料电池工作机理研究、运行特性测试、材料性能分析以及模拟计算验 证有着重要的意义，在直接碳燃料电池领域被国内外各研究机构广泛采用[M. Gur. Direct Electrochemical Conversion of Carbon to Electrical Energy in a High Temperature Fuel Cell. Journal of the Electrochemical Society, 1992， 139: 95-97; Nakagawa, Ishida. Performance of an Internal Direct-Oxidation Carbon Fuel Cell and Its Evaluation by Graphic Exergy Analysis. Ind. Eng. Chem. Res. ， 1988， 27: 1181-1185; M. Ihara， S. Hasegawa. J. Electrochem. Soc. ， 2006， 153 (8) : A1544-A1546.]，目前其测试装置多为各研究机构自 行设计加工制作。
由于直接碳燃料电池其反应过程复杂、运行条件苛刻，对反应装置提出极高的要求，主 要包括(1)反应装置需同时满足电流集流、气体输送、测温控温和密封要求。固体氧化物 燃料电池部件由多孔阳极、阴极以及位于两者之间的致密固体氧化物电解质组成。在高温状 态下(600°C-IOO(TC)，多孔阳极、阴极具备气体传质和同时传导氧离子、电子的作用，固体 氧化物电解质具有传导氧离子、阻止气体传递的作用。当燃料电池工作时，阴极侧通入空气， 其中氧气在多孔阴极中从外部电路得到电子生成氧离子，氧离子穿过电解质层到达阳极。阳 极侧H2、 C0等燃料气体与电解质传递过来的氧离子反应生成H20、 C02等产物，同时释放出电
子，电子通过外电路到达阴极，实现外电路供电。从反应过程中可以看出，固体氧化物燃料 电池部件工作在高温状态(60(TC-1000°C)，阴、阳极气体需独立密封，不串通或泄露，阴、 阳极表面的电流需进行集流，这是固体氧化物燃料电池运行所必须的条件。(2)反应装置需 满足固体碳燃料反应要求。直接碳燃料电池以固体碳为燃料，反应装置需满足固体碳燃料供 给、放置要求。对于碳燃料与燃料电池阳极不直接接触的方式，碳燃料首先发生气化反应， 反应后的燃料气体与纽扣式固体氧化物燃料电池发生电化学反应。因此，反应装置布局还需 同时考虑碳燃料与阳极气体的接触和气化反应需求。(3)反应装置需满足阳极气体加水要求。 当阳极气体中有&0存在时(高温下为气态水)，碳燃料会发生气化反应生成H2和C0，实验证 明阳极气体中加水可以显著提高电池性能，而常规水浴加湿法添加的水量有限，不能满足要 求。(4)反应装置应具备两段加热功能。碳燃料气化与固体氧化物燃料电池反应的最佳温度 可能不同，因此反应装置应具备两段加热功能。(5)反应装置应装卸方便。反应结束后需更
换纽扣式固体氧化物燃料电池和密封玻璃环等耗材，此时在满足密封要求前提下，反应装置
需装卸方便。(6)反应装置应尽可能减小阴、阳极腔体。阴、阳极腔体较大时，对气体组分 敏感性较差，测试时不能快速的反应阴、阳极气体组分变化。(7)反应装置应具备水冷功能。 电池运行时，受传热与辐射影响，反应装置炉外部分温度较高，容易烫伤或导致密封材料失 效，而加大装置长度虽然可以避免温度过高，但同时会增大阴、阳极腔体体积，因此水冷功 能十分必要。
出于以上原因，直接碳燃料电池反应装置的设计制作非常复杂，很难同时满足以上需求， 直接碳燃料电池反应装置的改进研发十分必要。
发明内容
本发明申请的目的是根据直接碳燃料电池反应需求设计一种新型反应装置。该装置可实 现对直接碳燃料电池的密封、电流集流、阴阳极气体供给、测温控温、固体碳燃料供给、阳 极加水以及分段加热等功能，同时为外部气路、电池电化学性能测试、反应气体检测留下接 口，以满足直接碳燃料电池反应条件需求，另外通过细致的结构设计，实现拆卸简便、结构 紧凑、水冷降温等功能。
一种直接碳燃料电池反应装置，它包括固定部件、水冷部件、阴极气体供给部件、阳极 气体供给部件、碳燃料安置部件、集流部件、密封部件、测控温部件和反应腔体部件。
固定部件主要包括上底座、内套管、外套管套、外套管芯、上水冷套、封头、下底座、 下底座芯，均为不锈钢材质。上底座是整个反应装置的核心部件之一，其上沿纵向开有各种 通孔，用于固定阴极气体入口管、阳极气体出口管、阳极集流管、燃料电池热电偶保护管， 以及阴极气体出口孔。其中部螺纹孔上安装紧固螺钉，用于固定拉紧弹簧。上底座与内套管 通过螺纹连接，螺纹连接处安装O形橡胶圈进行密封。内套管底部套入阴极腔体管并用704 硅橡胶密封和固定。外套管芯与外套管套通过螺纹连接，在螺纹连接处安装O形橡胶圈，由 于外套管芯的顶紧推力和外套管套斜面的楔形作用，将0形橡胶圈与阳极腔体管、外套管套 斜面压紧，实现对阳极腔体管的固定与密封。外套管套与上水冷套通过螺纹连接，螺纹连接 处安装0形橡胶圈进行密封。下底座芯与下底座通过螺纹连接，在螺纹连接处安装o形橡胶 圈，旋紧下底座芯，实现对碳燃料放置管的固定与密封。封头上开有三个通孔，分别用于固 定阳极气体入口管、碳燃料热电偶保护管和加水螺旋管。水冷部件包括上底座、上水冷套、下底座、下水冷套以及焊接在各水冷套上的冷却水导 管。将上(下)底座同轴放入上(下)水冷套中，焊接密封，进而形成水冷腔体，用于通入 冷却水。
阴极气体供给部件包括阴极气体入口管、阴极腔体管和上底座的阴极气体出口孔。阴极 气体由阴极气体入口管进入，通过多孔的阴极集流铂网后从阴极气体入口管与阴极腔体管之 间的环形腔体流过，经由阴极气体出口孔排出。其中，阴极气体入口管为刚玉材质，阴极腔 体管为石英玻璃材质。
阳极气体供给部件包括阳极气体入口管、阳极气体出口管、阳极腔体管、碳燃料放置管 和加水螺旋管。阳极气体由下部阳极气体入口管进入碳燃料放置管中，与此同时，水由加水 螺旋管进入碳燃料放置管，由于温度较高，加水螺旋管中的水变成气态。阳极气体与气态水 混合后依次穿过多孔的石英砂烧结板、固体碳燃料进入阳极腔体，反应后的阳极气体从阴极 腔体管与阳极腔体管之间的环形腔体流过，经由阳极气体出口管排出。其中，阳极气体入口 管和阳极气体出口管为刚玉材质，阳极腔体管和碳燃料放置管为石英玻璃材质，加水螺旋管 为不锈钢材质。
碳燃料安置部件包括碳燃料放置管和石英砂烧结板。石英砂烧结板被烧结在碳燃料放置 管上，固体碳燃料放置在石英砂烧结板上，由于石英砂烧结板具有一定透气性，既能保证阳 极气体通过，又能解决固体碳燃料的放置与反应问题。
集流部件主要包括阳极集流装置和阴极集流装置。阳极集流装置由阳极集流铂丝、阳极 集流销网和阳极集流刚玉管组成。阳极集流铂丝穿过起保护作用的双孔阳极集流刚玉管，集 流时阳极集流铂网分别与燃料电池阳极、阳极集流铂丝紧密接触。阴极集流装置由阴极集流 鉑丝、阴极集流铂网和阴极气体入口管组成。阴极集流铂丝穿过起保护作用的阴极气体入口 管，集流时阴极集流铂网分别与燃料电池阴极、阴极集流铂丝紧密接触，这里阴极气体入口 管起输送阴极气体和保护阴极集流铂丝的双重作用。
密封部件主要包括密封玻璃环以及四个o形橡胶圈。密封玻璃环在高温下实现燃料电池
阴、阳极间的隔绝密封。
测控温部件主要包括燃料电池热电偶、燃料电池热电偶保护管、燃料电池管式加热电炉、 碳燃料热电偶、碳燃料热电偶保护管、碳燃料管式加热电炉。将热电偶分别插入各自保护管 中，燃料电池热电偶保护管固定在上底座上，使燃料电池热电偶测温头部与燃料电池高度相同，用于对燃料电池工作温度的精确测量，同时燃料电池管式加热电炉用于保持工作温度。 碳燃料热电偶保护管固定在下底座上，使碳燃料热电偶测温头部紧贴石英砂烧结板，用于对 碳燃料反应温度的精确测量，同时碳燃料管式加热电炉用于保持碳燃料的反应温度。其中热 电偶保护管均为刚玉材质。
反应腔体部件主要包括阳极腔体管、阴极腔体管和碳燃料放置管。阴极腔体管内为阴极 气氛，阳极腔体管与阴极腔体管之间、碳燃料放置管内均为阳极气氛。
同现有技术相比，本发明申请中提到的直接碳燃料电池反应装置通过独特的部件设计， 解决了阳极腔体加水和碳燃料放置问题；通过分段电炉加热，实现了燃料电池运行和碳燃料 反应的分别控温，优化了直接碳燃料电池性能；通过独特的机械连接设计，避免了繁琐的装 卸过程；通过合理的结构布局，降低阴、阳极腔体体积，增强了燃料电池对气体组分变化的 敏感性；通过加入水冷装置，实现对密封橡胶圈的冷却，防止密封失效，避免操作人员烫伤， 同时便于縮短反应装置，进一步降低了阴、阳极腔体体积。
图1为直接碳燃料电池反应装置整体结构示意图。
图2为上底座结构示意图。
图3为水冷套结构示意图。
图4为内套管结构示意图。
图5为外套管芯结构示意图。
图6为外套管套结构示意图。
图7为压紧陶瓷片结构示意图。
图8为封头结构示意图。
图9为下底座芯结构示意图。
图10为下水冷套结构示意图。
图ll为下底座结构示意图。
图12为加水螺旋管结构示意图。
图13为上底座、上水冷套及各管件装配结构示意图。
图14为上底座、上水冷套及拉紧弹簧装配结构示意图。
图15为上底座、上水冷套及内套管装配结构示意图。
图16为外套管套、外套管芯及阳极腔体管装配结构示意图。
图17为反应装置上部整体装配结构示意图。
图18为阴极集流结构示意图。
图19为阳极集流结构示意图。
图20为纽扣式固体氧化物燃料电池装配结构示意图。
图21为下底座、下水冷套、阳极腔体管装配结构示意图。
图22为下底座、阳极腔体管及下底座芯装配结构示意图。
图23为固体碳燃料布置结构示意图。
图24为封头装配结构示意图。
图25为直接碳物燃料电池反应装置完整尺寸示意图。
图26为实施例运行示意图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明进行进一步描述。
图l为直接碳燃料电池反应装置整体结构示意图。主要包括上底座l，上水冷套2，内 套管3，外套管套4，外套管芯5，阳极腔体管6，阴极腔体管7，燃料电池管式加热电炉8， 阴极集流铂丝9，阴极集流铂网IO，密封玻璃环ll，阳极集流铂网12，压紧陶瓷片13，拉 紧镍镉丝14,阳极集流铂丝15，纽扣式固体氧化物燃料电池16，燃料电池热电偶17， 0形 橡胶圈I 18,拉紧弹簧19， O形橡胶圈II 20，紧固螺钉21， O形橡胶圈IH 22,阴极气体 入口管23，阳极气体出口管24，阳极集流刚玉管25，燃料电池热电偶保护管27，固体碳燃 料39，碳燃料管式加热电炉40，碳燃料热电偶保护管41，碳燃料放置管42，下底座43，下 水冷套44，下底座芯45，封头46，阳极气体入口管47，下冷却水导管48， O形橡胶圈IV49， 加水螺旋管50，石英砂烧结板51，碳燃料热电偶56等部件。根据其功能大致可分为固定部 件(l、 2、 3、 4、 5、 13、 14、 19、 21、 43、 45、 46)、水冷部件(l、 2、 43、 44、 48)、阴极气 体供给部件(23、 26)、阳极气体供给部件(24、 47、 50)、碳燃料安置部件(42、 51)、集流部 件(9、 10、 12、 15、 25)、密封部件(ll、 18、 20、 22、 49)、测控温部件(8、 17、 27、 40、 41、 56)和反应腔体部件(6、 7、 42)。
图2为上底座1结构示意图。上底座1开有阴极气体出口孔28，热电偶保护管孔30，阳 极集流刚玉管孔31，阳极气体出口管孔32，阴极气体入口管孔33，紧固螺纹孔34。 图3为上水冷套2结构示意图，上水冷套2上焊接上冷却水导管35。 图4为内套管3结构示意图。内套管3上部外表面进行滚花处理，便于与上底座l螺纹 连接时的旋紧操作。
图5为外套管芯5结构示意图。外套管芯5开有旋紧孔36，用于外套管芯5与外套管套 4螺纹旋紧时使用。
图6为外套管套4结构示意图。外套管套4上部外表面进行滚花处理，便于与上水冷套 2螺纹连接时的旋紧操作。
图7为压紧陶瓷片13结构示意图。其上开有通气孔37，拉紧孔38 (三个)。通气孔37 用于燃料电池运行时，阳极气体向阳极表面的流动传质。拉紧镍镉丝14穿过拉紧孔38并勾 住压紧陶瓷片13，通过弹簧拉力可实现对纽扣式固体氧化物燃料电池16固定、集流和密封。
图8为封头46结构示意图。封头46上开有碳燃料热电偶保护管孔52、加水螺旋管孔53、 阳极气体入口管孔54。
图9为下底座芯45结构示意图。下底座芯45下部外表面进行滚花处理，便于与下底座 43螺纹连接时的旋紧操作。
图10为下水冷套44结构示意图。下水冷套44上焊接下冷却水导管48。下水冷套44外 表面进行滚花处理，便于与下底座芯45螺纹连接时的旋紧操作。
图11为下底座43结构示意图。
图12为加水螺旋管50结构示意图。加水螺旋管50在碳燃料管式加热电炉40内高温段 螺旋盘绕，用于增大水流程，加强水的气化。
图13为上底座1、上水冷套2及各管件装配结构示意图。如图13所示，将上底座l同 轴放入上水冷套2中并对连接处焊接密封，进而形成水冷腔体，冷却水由上冷却水导管35通 入和导出。将阴极气体入口管23插入上底座1的阴极气体入口孔28中，将阳极集流刚玉管 25插入上底座1的阳极集流刚玉管孔31中，将阳极气体出口管24插入上底座1的阳极气体 出口管孔32中，将燃料电池热电偶17插入燃料电池热电偶保护管27中，并将燃料电池热电 偶保护管27插入上底座1的燃料电池热电偶保护管孔30中。各管件在上底座1上部留出一 定长度，作为外部气路、测试装置和测控温装置接口，同时用704硅橡胶将所有管件与上底座l连接处密封。这些密封处在没有部件损坏时不需要拆卸，因此不影响正常使用的简便性。 通过704硅橡胶可实现此处阳极腔体与外部大气环境的密封，防止阳极气体泄露。
图14为上底座1、上水冷套2及拉紧弹簧19装配结构示意图。将紧固螺钉21穿过拉紧 弹簧19 一端并将其旋紧在上底座1的紧固螺纹孔34中。拉紧弹簧19另一端与拉紧镍镉丝 14连接，用于拉紧压紧陶瓷片13。在上底座1圆周方向均匀安装三套拉紧装置。
图15为上底座1、上水冷套2及内套管3装配结构示意图。内套管3通过螺纹连接旋紧 在上底座l上，连接处通过O形橡胶圈II 20密封。内套管3底部插入阴极腔体管7中，并 用704硅橡胶密封连接处，该连接处在没有部件损坏时不需拆卸，因此不影响正常使用的简 便性。通过704硅橡胶和0形橡胶圈n 20可以实现此处阴极腔体和阳极腔体间的密封，防 止阴、阳极气体互通，保障了燃料电池必需的运行条件。
图16为外套管套4、外套管芯5及阳极腔体管6装配结构示意图。将O形橡胶圈I 18 卡在阳极腔体管6合适位置处，并将阳极腔体管6穿过外套管套4，借助旋紧孔36将外套管 芯5通过螺纹连接旋紧于外套管套4中。此时由于外套管芯5对0形橡胶圈I 18的推力和外 套管套4斜面的楔形作用，使得0形橡胶圈I18与阳极腔体管6、外套管套4斜面紧密结合， 实现对阳极腔体管6的固定与密封。通过0形橡胶圈I 18可以实现此处阳极腔体与外部大气 环境的密封，防止阳极气体泄露。
图17为反应装置上部整体装配结构示意图。在图15和图16所示装配结构基础上，将外 套管套4通过螺纹连接旋紧在上水冷套2上，连接处用0形橡胶圈III 22密封。通过0形橡 胶圈III 22可以实现此处阳极腔体与外部大气环境的密封，防止阳极气体泄露。
图18为阴极集流结构示意图。阴极集流结构主要包括阴极集流铂丝9，阴极集流铂网10 和阴极气体入口管23。将阴极集流铂丝9两头分别穿过阴极集流铂网10和阴极气体入口管 23。阴极集流铂网10用于从纽扣式固体氧化物燃料电池16阴极上收集电流，阴极集流铂丝 9的两头分别用作参比电极和测试电极，导出电流。这里阴极气体入口管23还起着保护阴极 集流铂丝9的作用。
图19为阳极集流结构示意图。阳极集流结构主要包括阳极集流铂网12，阳极集流铂丝 15和阳极集流刚玉管25。将阳极集流铂丝15两头穿过双孔的阳极集流刚玉管25，与阳极集 流铀网12紧密接触。将阳极集流铀丝15在底部盘成蛇形，增大与阳极集流铂网12的接触面 积。阳极集流铂网12用于从纽扣式固体氧化物燃料电池16阳极上收集电流，阳极集流铂丝15两头分别用作参比电极和测试电极，导出电流。这里阳极集流刚玉管25起保护阳极集流 铂丝15的作用。
图20为纽扣式固体氧化物燃料电池16装配结构示意图。阴极集流铂网10与阴极气体入 口管23端口接触。密封玻璃环11与阴极腔体管7接触，密封玻璃环ll向下依次放置纽扣固 体氧化物燃料电池16，阳极集流铂网12，阳极集流铂丝15，压紧陶瓷片13，并将三根拉紧 镍镉丝14穿过拉紧孔38并勾住压紧陶瓷片13，通过弹簧拉力使得以上各部件紧密贴合，减 小集流接触电阻。当反应装置运行在高温时，密封玻璃环ll软化，使得纽扣固体氧化物燃料 电池16与阴极集流铂网IO紧密接触，实现阴极集流，同时软化的密封玻璃环ll实现此处阴 极腔体和阳极腔体间的密封，防止阴、阳极气体互通，保障了电池运行条件。此处为反应装 置中唯一的高温密封。测温热电偶17测温点应与纽扣固体氧化物燃料电池16保持同一高度。
图21为下底座43、下水冷套44、阳极腔体管6装配结构示意图。如图所示，阳极腔体 管6底部插入下底座43上部孔中，用704硅橡胶密封连接处。该连接处在没有部件损坏时不 需拆卸，因此不影响正常使用简便性。通过704硅橡胶可实现此处阳极腔体和大气环境的密 封，防止阳极气体泄露。将下底座43同轴放入下冷水套44中并将连接处焊接密封，形成水 冷腔体，冷却水由下冷却水导管48通入和导出。
图22为下底座43、碳燃料放置管42及下底座芯45装配结构示意图。将0形橡胶圈IV 49 卡在碳燃料放置管42合适位置处，并将碳燃料放置管42穿过下底座43和下底座芯45，旋 紧下底座芯45。此时借助下底座芯45对0形橡胶圈IV 49的推力和下底座芯45斜面的楔形 作用，使得O形橡胶圈IV 49与碳燃料放置管42、下底座芯45斜面紧密结合，实现对碳燃 料放置管42的固定与密封。通过0形橡胶圈IV 49可以实现此处阳极腔体与外部大气环境的 密封，防止阳极气体泄露。
图23为固体碳燃料39布置结构示意图。石英砂烧结板42烧结在石英材质的碳燃料放置 管42上，距离出口约5cm。将固体碳燃料39放置于石英砂烧结板42上。石英砂烧结板42 下面布置碳燃料热电偶56用于测量固体碳燃料39反应温度。
图24为封头46装配结构示意图。将碳燃料热电偶56插入碳燃料热电偶保护管41中， 并将碳燃料热电偶保护管41插入封头46的碳燃料热电偶保护管孔52中，将阳极气体入口管 47插入封头46阳极气体入口管孔54中，将加水螺旋管50插入加水螺旋管孔53中。各管件 在封头外留出一定长度，作为外部气路、测温装置、供水装置接口，同时用704硅橡胶密封所有管件与封头46的连接处。将碳燃料放置管42底部插入封头上部，并用704硅橡胶密封 连接处。这些704硅橡胶密封连接处在没有部件损坏时不需拆卸，因此不影响正常使用简便 性。此处可实现阳极腔体与外部大气环境的密封，防止阳极气体泄露。
图25为直接碳燃料电池反应装置完整尺寸示意图。给出了按照实际尺寸成比例绘制的反 应装置结构。
图26为实施例运行示意图。
实施例
一种直接碳燃料电池反应装置，其运行过程如图26所示。
该反应装置正常运行时，燃料电池管式加热电炉8和碳燃料管式加热电炉40的工作温度 范围为60(TC-100(rC，这时通过密封玻璃环ll、 O形橡胶圈I 18、 O形橡胶圈II 20、 0形 橡胶圈III 22、 O形橡胶圈IV 49以及在不拆卸接口处的704硅橡胶实现整个反应装置的密 封。为防止O形橡胶圈高温失效、避免操作人员的高温烫伤，将冷却水分别通入上冷却水导 管35和下冷却水导管48，冷却水流过水冷腔，实现对上、下金属部件的冷却。阴极气体(如 空气、02)通过由阴极气体入口管23进入反应装置，到达阴极集流铂网10处，部分阴极气 体在纽扣固体氧化物燃料电池16阴极发生电化学反应，反应后以及未参加反应的阴极气体穿 过多孔的阴极集流铂网10，经由阴极腔体管7与阴极气体入口管23之间的环形腔体向上流 动，最终通过阴极气体出口孔28排出。阳极气体C02通过由阳极气体入口管47进入反应装置 中的碳燃料放置管42，与此同时，水由加水螺旋管50进入碳燃料放置管42，由于碳燃料管 式加热电炉40内温度较高，加水螺旋管中的水变成气态。阳极气体C02与气态水混合后穿过 多孔的石英砂烧结板51,与固体碳燃料39发生反应，生成H2和C0。此时阳极气体变成H2、 C0和C02的混合物，该阳极混合气体流过在阳极腔体管6内继续向上流动，部分阳极混合气 体通过多孔的阳极集流铂网12到达纽扣固体氧化物燃料电池16阳极参与反应，生成C02和 &0并产生电流，反应后以及未参加反应的阳极气体经由阳极腔体管6与阴极腔体管7之间的 环形腔体向上流动，最终通过阳极气体出口管24排出。由阴极气体入口管23引出的两根阴 极集流铂丝9、阳极集流刚玉管25引出的两根阳极集流铂丝15可以组成四电极法，用于燃
料电池电化学性能测试。
当需要添加固体碳燃料39时，旋开下底座芯45，将碳燃料固定管42、下底座芯45、 0 形橡胶圈IV49、封头46以及封头46上固定的各部件从装置底部取出，即可添加固体碳燃
料39，然后将其再插入装置底部，旋紧下底座芯45即可。由于拆卸过程中会有少量空气进 入阳极腔体，所以阳极气体吹扫一段时间后电池性能才能恢复。
当运行结束，更换纽扣固体氧化物燃料电池16时，首先，与添加固体碳燃料39步骤相 同，从反应装置上卸下碳燃料固定管42、下底座芯45、 0形橡胶圈IV49、封头46以及封头 46上固定的各部件；其次，将外套管套4从上水冷套2上旋开，把外套管套4、外套管芯5、 阳极腔体管6以及下底座43作为一整体取下，露出纽扣固体氧化物燃料电池16。此时卸下 拉紧镍镉丝14，取下压紧陶瓷片13，即可更换耗材密封玻璃环ll和纽扣式固体氧化物燃料 电池16，然后按照反序组装即可。
从直接碳燃料电池反应装置工作过程可以看出，该装置能够完全满足直接碳燃料电池的 密封、电流收集、阴阳极气体供给、测温控温、固体碳燃料供给、阳极加水以及分段加热等 功能等反应需求，同时为外部气路、外部测温装置、电池性能测试、反应气体检测留下接口， 满足测试工作需求。从更换燃料电池和添加燃料步骤可以看出，除耗材高温密封玻璃环ll以 外，其余密封结构均不需要变动，只需简单的螺纹装卸操作即可，同现有技术相比装配过程 大大简化，在合理使用情况下可保证重复50次反应不需更换非耗材部件；整个反应装置布局 结构紧凑，阴、阳极腔体小，对气体组分变化反应敏感；水冷装置防止了密封材料老化失效 以及人员烫伤，实际运行过程中金属部件表面温度低于40度。
权利要求
1、一种直接碳燃料电池反应装置，其特征在于，该反应装置包括上底座(1)，上水冷套(2)，内套管(3)，外套管套(4)，外套管芯(5)，阳极腔体管(6)，阴极腔体管(7)，燃料电池管式加热电炉(8)，阴极集流铂丝(9)，阴极集流铂网(10)，密封玻璃环(11)，阳极集流铂网(12)，压紧陶瓷片(13)，拉紧镍镉丝(14)，阳极集流铂丝(15)，纽扣式固体氧化物燃料电池(16)，燃料电池热电偶(17)，O形橡胶圈I(18)，拉紧弹簧(19)，O形橡胶圈II(20)，紧固螺钉(21)，O形橡胶圈III(22)，阴极气体入口管(23)，阳极气体出口管(24)，阳极集流刚玉管(25)，燃料电池热电偶保护管(27)，固体碳燃料(39)，碳燃料管式加热电炉(40)，碳燃料热电偶保护管(41)，碳燃料放置管(42)，下底座(43)，下水冷套(44)，下底座芯(45)，封头(46)，阳极气体入口管(47)，下冷却水导管(48)，O形橡胶圈IV(49)，加水螺旋管(50)，石英砂烧结板(51)，碳燃料热电偶(56)；上底座(1)开有阴极气体出口孔(28)，热电偶保护管孔(30)，阳极集流刚玉管孔(31)，阳极气体出口管孔(32)，阴极气体入口管孔(33)，紧固螺纹孔(34)；上水冷套(2)上连接冷却水导管(35)；内套管(3)与上底座(1)螺纹连接；外套管套(4)与上水冷套(2)螺纹连接；外套管芯(5)开有旋紧孔(36)；压紧陶瓷片(13)上开有通气孔(37)，拉紧孔(38)；拉紧镍镉丝(14)穿过拉紧孔(38)并勾住压紧陶瓷片(13)；封头(46)上开有碳燃料热电偶保护管孔(52)、加水螺旋管孔(53)、阳极气体入口管孔(54)；下水冷套(44)上焊接下冷却水导管(48)；下水冷套(44)与下底座芯(45)螺纹连接；下底座芯(45)与下底座(43)螺纹连接；加水螺旋管(50)在碳燃料管式加热电炉(40)内；上底座(1)同轴放入上水冷套(2)中并对连接处焊接密封形成水冷腔体，冷却水由上冷却水导管(35)通入和导出；阴极气体入口管(23)插入上底座(1)的阴极气体入口孔(33)中，阳极集流刚玉管(25)插入上底座(1)的阳极集流刚玉管孔(31)中，阳极气体出口管(24)插入上底座(1)的阳极气体出口管孔(32)中，燃料电池热电偶(17)插入燃料电池热电偶保护管(27)中，燃料电池热电偶保护管(27)插入上底座(1)的燃料电池热电偶保护管孔(30)中；所有管件与上底座(1)连接密封；紧固螺钉(21)穿过拉紧弹簧(19)一端并将其旋紧在上底座(1)的紧固螺纹孔(34)中；拉紧弹簧(19)另一端与拉紧镍镉丝(14)连接，用于拉紧压紧陶瓷片(13)；内套管(3)与底座(1)螺纹连接，连接处用O形橡胶圈II(20)密封；内套管(3)底部插入阴极腔体管(7)中并连接密封；O形橡胶圈I(18)卡在阳极腔体管(6)中，阳极腔体管(6)穿过外套管套(4)，通过旋紧孔(36)将外套管芯(5)螺纹连接于外套管套(4)中；外套管套(4)通过螺纹连接在上水冷套(2)上，连接处用O形橡胶圈III(22)密封；阴极集流铂丝(9)两头分别穿过阴极集流铂网(10)和阴极气体入口管(23)；阴极集流铂网(10)用于从纽扣式固体氧化物燃料电池(16)阴极上收集电流，阴极集流铂丝(9)的两头分别用作参比电极和测试电极，导出电流；阳极集流铂丝(15)两头穿过双孔的阳极集流刚玉管(25)，与阳极集流铂网(12)紧密接触；阳极集流铂网(12)用于从纽扣式固体氧化物燃料电池(16)阳极上收集电流，阳极集流铂丝(15)两头分别用作参比电极和测试电极，导出电流；阴极集流铂网(10)与阴极气体入口管(23)端口接触；密封玻璃环(11)与阴极腔体管(7)接触，密封玻璃环(11)向下依次放置纽扣固体氧化物燃料电池(16)、阳极集流铂网(12)、阳极集流铂丝(15)、压紧陶瓷片(13)，拉紧镍镉丝(14)穿过拉紧孔(38)并勾住压紧陶瓷片(13)；测温热电偶(17)测温点与纽扣固体氧化物燃料电池(16)保持同一高度；阳极腔体管(6)底部插入下底座(43)上部孔中并连接密封；下底座(43)同轴放入下冷水套(44)中并将连接处焊接密封形成水冷腔体，冷却水由下冷却水导管(48)通入和导出；O形橡胶圈IV(49)卡在碳燃料放置管(42)中，并将碳燃料放置管(42)穿过下底座(43)和下底座芯(45)，旋紧下底座芯(45)；石英砂烧结板(42)烧结在石英材质的碳燃料放置管(42)上；固体碳燃料(39)放置于石英砂烧结板(42)上；石英砂烧结板(42)下面布置碳燃料热电偶(56)；碳燃料热电偶(56)插入碳燃料热电偶保护管(41)中，碳燃料热电偶保护管(41)插入封头(46)的碳燃料热电偶保护管孔(52)中，阳极气体入口管(47)插入封头(46)阳极气体入口管孔(54)中，加水螺旋管(50)插入加水螺旋管孔(53)中；所有管件与封头(46)连接密封；将碳燃料放置管(42)底部插入封头上部并连接密封。
2、 根据权利要求l所述的一种纽扣固体氧化物燃料电池反应装置，其特征在于，所述压 紧陶瓷片(13)上开有三个拉紧孔((38))，在上底座(1)安装三套拉紧装置。
3、 根据权利要求l所述的一种纽扣固体氧化物燃料电池反应装置，其特征在于，所述连 接密封为704硅橡胶密封。
全文摘要
一种直接碳燃料电池反应装置，属于直接碳燃料电池技术领域。该反应装置上底座(1)同轴放入上水冷套(2)中并对连接处焊接密封形成水冷腔体；阳极集流铂网(12)用于从纽扣式固体氧化物燃料电池(16)阳极上收集电流，阳极集流铂丝(15)两头分别用作参比电极和测试电极；测温热电偶(17)测温点与纽扣固体氧化物燃料电池(16)保持同一高度；阳极腔体管(6)底部插入下底座(43)上部孔中；石英砂烧结板(42)下面布置碳燃料热电偶(56)；所有管件与封头(46)连接密封。本发明解决了阳极腔体加水和碳燃料放置问题；实现了燃料电池运行和碳燃料反应分别控温；避免繁琐的装卸过程和人员烫伤；防止了密封失效，降低了成本。
文档编号H01M8/06GK101345315SQ20081011920
公开日2009年1月14日 申请日期2008年8月29日 优先权日2008年8月29日
发明者史翊翔, 晨 李, 蔡宁生 申请人:清华大学