一种直接碳固体氧化物燃料电池电堆及其发电装置的制作方法

本发明涉及燃料电池领域，具体涉及一种直接碳固体氧化物燃料电池电堆及其发电装置。

背景技术：

氢气是固体氧化物燃料电池(sofc)最为理想的燃料，但作为一种二次能源，氢气不可直接获得且储存运输技术尚不成熟，成本较高。在众多sofc燃料中，碳燃料的来源最为广泛，且其能量密度高，基本不存在储存和运输问题，因而直接使用碳燃料的sofc(dc-sofc)受到了越来越多的重视。dc-sofc的总反应为：c+o2＝co2，此反应的熵变很小，且碳燃料不和空气相接触，有利于co2的再利用和回收处理。在dc-sofc启动时，通入一定量的co2使得其和碳燃料在高温下发生boudouard反应(co2+c＝2co)，生成的co与从电解质传递过来的氧离子发生反应生成co2，co2再通过boudouard反应生成co，如此往复循环，就实现了消耗固体碳发电的目的。

到目前为止，研究者们已从不同的角度，提出了各种dc-sofc的设计方案。例如“一种直接碳固体氧化物燃料电池电源系统”的发明专利，专利号cn102130354a，将碳燃料和锥管串接式sofc设计相结合，可在尺寸较小的情况下输出较高的电压，适用于小型sofc电源；“一种自维持式直接碳微管固体氧化物燃料电池组”的发明专利，专利号cn107681179a，通过电池组底部碳燃料和氧气燃烧产生的热量，实现了在无外热源的情况下电池的顺利启动。“一种无密封的单片电解质直接碳固体氧化物燃料电池组”的发明专利，专利号cn108183248a，将阴极和阳极分段布置在电解质两侧，并用固定框扣住电解质片，使该电池组无需密封；“一种直接碳固体氧化物燃料电池堆”的发明专利，专利号cn103078128a，利用sofc的余热为碳和水蒸气进行重整反应提供热量，提高了系统效率。

以上专利虽然都解决了相应的问题，但是无一例外的都是将大量的碳燃料堆积在燃料腔室中，这也是目前大部分研究对于碳燃料的处理方式，而大量碳燃料的堆积会严重制约boudouard反应。其原因是：(1)大量碳燃料的堆积导致碳颗粒之间接触面积增大，碳颗粒与co2接触面积急剧减小，进而降低了boudouard反应；(2)大量碳燃料的堆积导致boudouard反应产生的co不易及时排出，进一步抑制了反应的进行；(3)大量碳燃料的堆积会导致燃料腔室中不同位置的碳颗粒同时发生boudouard反应，而boudouard反应是吸热反应，因此导致燃料腔室中温度过低，减缓了反应速率；(4)随着boudouard反应的进行，碳燃料不断的消耗，因此co的生产量越来越少。因此大量碳燃料的堆积不能实现稳定的co供应。

因此，若能将碳燃料分散开来，用气体携带进入dc-sofc，并控制气碳混合物进入电堆的量，再在dc-sofc内进行充分的扰动，使其可以均匀分散在电池阳极表面，并使用排出空气的高温余热对boudouard反应进行热量补偿，就可保证boudouard反应的快速持续稳定进行，从而提高dc-sofc性能。此外，若能对dc-sofc产生的尾气进行回收再利用，还可使装置效率进一步提高。

技术实现要素：

发明目的：本发明的目的在于提供一种直接碳固体氧化物燃料电池电堆及其发电装置，解决由于大量碳燃料堆积导致的boudouard反应过慢的问题。

技术方案：本发明的一种直接碳固体氧化物燃料电池电堆，包括若干管式sofc电池组、若干空气导管、空气腔、固定板和电堆加热板：所述管式sofc电池组包括若干层sofc单电池，各层sofc单电池由上至下交错堆叠放置，每一层sofc单电池包括若干sofc单电池，且每相邻两个sofc单电池并排反向布置；所述每个sofc单电池由内到外依次包括阴极、电解质和阳极，且阴极最长，阳极最短；各层sofc单电池开口端从外到内均依次夹有固定板和电堆加热板，使得管式sofc电池组整体固定，固定板和电堆加热板竖直设立；所述空气导管通过空气腔插入对应的管式sofc电池组中，并与每个sofc单电池阴极之间留有2-5mm以供空气在电池内流动，所述空气腔设于固定板外侧，形成一空腔，使反应完的空气经开于空气腔底部的空气出口孔流出。

进一步的，所述sofc单电池的层数根据发电需求确定，所述相邻上下层sofc单电池错开90度布置，且相邻单电池反向布置。这样能够对螺旋形流动的碳燃料进行扰动，保证boudouard反应快速进行。

本发明还公开了一种直接碳固体氧化物燃料电池电堆的发电装置，包括sofc电堆、co2汇流箱、co2储气瓶、给碳机和第一汇流箱，所述sofc电堆的四周壁面上连接有若干空气入口管，sofc电堆底部四周开设有若干空气出口孔；所述co2汇流箱一端通过co2出口管连接于sofc电堆顶端，co2汇流箱的另一端依次连接若干运输管道、过滤器、co2回收管道、压缩机和若干co2储气瓶；所述第一汇流箱一端通过混合入口管连接于sofc电堆底部，且混合入口管伸入sofc电堆内部，第一汇流箱另一端依次连接有气碳混合管、co2出气管道和若干co2储气瓶；所述给碳机设置于气碳混合管和co2出气管道之间，给碳机的底部通过输碳管连通于气碳混合管和co2出气管道之间，给碳机的顶部通过碳回收管道连接于过滤器。

其中，co2储气瓶提供高压co2与给碳机供给的碳粉混合，再通过四角切圆布置的混合入口管通入电堆中，使co2和碳粉混合物在sofc电堆内部呈螺旋形流动，增强燃料的扰动使其均匀分布在各个sofc单电池的阳极表面。反应完的尾气经过滤分离后分别通过co2回收管道和碳回收管道进行回收再利用，提高装置效率；空气通过空气入口管进入电堆，反应后经空气腔底部空气出口孔排出，利用空气层的保温效果和排出空气的高温余热对燃料再预热并给boudouard反应提供热量补偿，从而进一步保证boudouard反应快速稳定进行。

进一步的，所述sofc电堆顶端安装有固定端盖，各个co2出口管竖直立于固定端盖，且各个co2出口管连接于co2汇流箱底部；所述sofc电堆底部设有若干电堆支架，通过电堆支架将sofc电堆支撑固定。

进一步的，所述过滤器和压缩机之间的co2回收管道上设有第一控制阀门，所述碳回收管道设有第二控制阀门；所述输碳管上设有第三控制阀门。

进一步的，所述各个co2储气瓶并联，每个co2储气瓶进气处和出气处均分别连接co2回收管道和co2出气管道；且每个co2储气瓶均设有对应的进气阀门和出气阀门。

进一步的，所述各个混合入口管接入sofc电堆右下方或者左下方，混合入口管上插入电堆内部的一侧采用四角切圆式水平布置，且每个混合入口管的出口处均呈圆柱型喷嘴状。

进一步的，所述co2储气瓶为多级储气瓶，根据电堆的运行情况，各个对应的进气阀门10和出气阀门13不需要全部同时打开，以满足电堆需要的携碳co2量为准，剩余的co2储气瓶储满后可以运到其他地方使用，再用空储气瓶替换即可。

进一步的，所述第二控制阀门控制碳回收管道将未反应完的碳粉输送回所述给碳机中，且根据电堆的运行情况，给碳机的供碳量由第三控制阀门控制。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)将碳燃料分散开，以co2气体携带进入电堆，避免碳燃料的大量堆积，增大了碳颗粒与co2的接触面积，提高了boudouard反应速率。气碳混合入口管出口设计为圆柱型喷嘴状，并呈四角切圆式水平布置，可使co2和碳粉的混合物在电堆内部呈螺旋形流动，增强了燃料的扰动使其均匀分布在电池阳极表面，同时boudouard反应生产的co可以非常快速的进入阳极进行电化学反应。

(2)电堆中相邻上下层单电池成错开90度分布，进一步对螺旋上升的碳燃料进行干扰，增强电堆碳燃料的均匀性，从而为快速、持续、稳定的boudouard反应奠定了基础。

(3)相邻管式sofc单电池反向布置，可充分利用单电池间的彼此相互温度影响使得电堆温度分布保持相对均匀，进而确保不同单电池阳极表面附近的boudouard反应速率基本趋于一致。

(4)将空气腔布置在固定板外，空气就相当于一层保温层，并把空气出口孔开于空气腔底部，使排出空气与燃料流动方向相反，可利用排出空气的高温余热对燃料进行一定的再预热并给boudouard反应提供热量补偿，从而进一步保证boudouard反应快速稳定进行。

(5)实现了对co2和碳燃料的再回收利用，提高了装置效率并可使电堆持续运行。

附图说明

图1为本发明的装置整体结构示意图；

图2为本发明的sofc电堆竖直方向剖面示意图；

图3为本发明的sofc电池组排列方式示意图；

图4为本发明的sofc单电池空气流向剖面示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明的直接碳固体氧化物燃料电池电堆及其发电装置进行进一步的详细说明。

如图1所示，本实施例中的直接碳固体氧化物燃料电池电堆发电装置，包括sofc电堆1、空气入口管2、空气出口孔3、固定端盖4、co2出口管5、co2汇流箱6、运输管道7、过滤器8、co2回收管道9、压缩机10、第一控制阀门11、进气阀门12、co2储气瓶13、co2出气管道14、出气阀门15、碳回收管道16、第二控制阀门17、给碳机18、输碳管19、第三控制阀门20、气碳混合管21、汇流箱22、混合入口管23和电堆支架24。sofc电堆1的四周壁面上连接有若干空气入口管2，sofc电堆1底部四周开设有若干空气出口孔3；所述co2汇流箱6一端通过co2出口管5连接于sofc电堆1顶端，co2汇流箱6的另一端依次连接若干运输管道7、过滤器8、co2回收管道9、压缩机10和若干co2储气瓶13；第一汇流箱22一端通过混合入口管23连接于sofc电堆1底部，且混合入口管23伸入sofc电堆1内部，第一汇流箱22另一端依次连接有气碳混合管21、co2出气管道14和若干co2储气瓶13；给碳机18设置于气碳混合管21和co2出气管道14之间，给碳机18的底部通过输碳管19连通于气碳混合管21和co2出气管道14之间，给碳机18的顶部通过碳回收管道(16)连接于过滤器8。

本实施例中，外界供给空气通过每个方向五个的空气入口管2进入sofc电堆1，反应完毕后经电堆下方各个空气出口孔3排出；sofc电堆1中电堆反应产生的co2及少部分未反应的碳粉经四个co2出口管5排出至co2汇流箱6中，再通过两个运输管道7输送到过滤器8中；打开第一控制阀门11，过滤分离后的co2经co2回收管道9先流入压缩机10中，经过压缩后的高压co2通过压缩机10的出口流回co2回收管道9，最后通入三级co2储气罐13中充气，此时进气阀门12打开，出气阀门15关闭。充满后，进气阀门12关闭，出气阀门15打开，通过co2出气管道14提供携碳进入电堆的高压co2。

上述过程中，进气阀门12和出气阀门15并不需要全部同时打开，根据电堆的运行情况，打开其中的某些阀门，使用某些co2储气瓶13，以满足电堆需要的携碳co2量为准，剩余的co2储气瓶13储满后可以运到其他地方使用，再用空的co2储气瓶13替换即可。

通过第二控制阀门17的开度控制，少部分未反应的碳粉经过滤器8过滤分离由碳回收管道16通入至给碳机18中，实现碳燃料的回收利用。给碳机18装有电堆所需的碳粉，下部接有输碳管19，输碳管19上设有控制输碳量的第二控制阀门17，由某个co2储气瓶11提供的高压co2经co2出气管道12与输碳管19所输送的碳粉混合，以形成气碳混合物，然后通过气碳混合管21输送至电堆底部的汇流箱22，再通过呈四角切圆布置的四个混合入口管将气碳混合物通入到sofc电堆1内部。另有四个电堆支架24接在电堆底部四角以支撑整个电堆结构。

如图2-4所示，本实施例中的sofc电堆1包括管式sofc电池组25、空气导管26、空气腔27、固定板28和电堆加热板29。其中，管式sofc电池组25由四层sofc电池组成，每层各五个sofc单电池。相邻sofc单电池反向布置，相邻上下层错开90度，以增强碳燃料的扰动。每个sofc单电池由内到外依次包括阴极30、电解质31和阳极32，且阴极30最长，阳极32最短。

本实施例中，共设置二十个空气导管26，各个空气导管26分别穿过空气腔27插入对应的管式sofc电池组25中每个单电池中，其与阴极30留有2-5mm空隙，以供空气流动与阴极发生反应。空气导管26固定在空气腔22上。空气腔22接在固定板28外，与其形成具有保温加热的空气腔，使反应完的高温空气经开于空气腔27底部的空气出口孔3流出，且与燃料流动方向相反。固定板28与sofc单电池连接固定，电堆加热板29提供电堆启动运行所需的高温环境。

四个混合入口管23接入sofc电堆1四壁右下方或者左下方，其插入电堆1内部一侧采用四角切圆式水平布置，可使co2和碳粉的混合物在电堆内部呈螺旋形流动。其插入电堆1内部的出口为圆柱型喷嘴状，以提高co2碳粉混合物的喷射压力。

本发明中，通过控制第二控制阀门17，使得碳回收管道16可将未反应完的碳粉输送回所述给碳机18中，且根据电堆的运行情况，给碳机18的供碳量可由第三控制阀门20进行控制。

本发明将碳燃料分散开来，用co2携带碳燃料进入dc-sofc，再通过电池排布的扰动，使气碳混合物可以均匀分散在各个单电池的阳极表面，并使用排出空气的高温余热对boudouard反应进行热量补偿，可保证boudouard反应的持续稳定进行和电堆内部温度均匀，从而使得dc-sofc寿命大大延长。此外，还对dc-sofc产生的尾气进行回收再利用，使装置效率大大提高。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求范围内。