专利名称：陶瓷膜燃料电池电-热联供装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于燃料电池领域，特别涉及陶瓷膜燃料电池的应用技术。
技术背景燃料电池(fuel cell)是将燃料的化学能直接转化为电能的装置。固体氧化物燃料电 池(SOFC)，特别是其新一代基于陶瓷膜制备技术，以薄层化电解质为核心的SOFC称 为陶瓷膜燃料电池(简称CMFC，以下均用CMFC表示)，其燃能转化效率高，燃料适 应性广，结构稳定操作方便，对环境友好，是国际上公认的21世纪绿色能源，是化石燃 料和生物质燃料转化为电能的最佳换能技术，将成为高效分散电源，车船动力能源，以 至有可能最终取代目前火力发电而成为未来氢能社会的主要能源技术。CMFC —般工作温度在500 1000。C之间，而所用的燃料和氧化剂(一般是空气) 一般处于室温。为了维持电池系统正常工作，需要提供热量来预热燃料和氧化剂。通常 情况下，所需的热量来自于电池本身工作时产生的电热，或者通过未反应的燃料燃烧来 提供。如果将多余的热能作为电池系统的副产品以其它形式加以回收利用，构成能量综 合利用系统，可以大大提高能源的利用效率。例如，对于大型CMFC系统可以和燃气轮 机联合循环发电，燃气轮机的尾气余热用于蒸汽轮机发电或另行利用等。CMFC的单电池外形结构上主要有管式和平板式两种构型，两种构型的区别主要在 燃料与氧化剂的提供方式、单电池连接方式、电堆密封方式有所不同。虽然平板式CMFC 有较高的体积输出功率密度，但管式CMFC较平板式更容易解决密封问题，从而可以多 次热循环而无由于热应力造成结构破坏之忧，且容易通过单电池的串联和并联组成大规 模电池发电系统。最近几年， 一种新型的集平板和管状优点于一身的扁平管结构的CMFC被人们提出 来，在2002年，ZL02113198.8中公开了一种多通道管状阳极支撑结构的CMFC，它具有 众多优点和设计特点。但其未给出它在中小型的分布式能源装置中的应用。中小型的分布式能源装置(一般lkW至数10kW)是目前CMFC应用开发的主要市 场面向。对于使用这种中小型装置的用户来说，除了需要电能以外，往往还需要热能， 例如住房取暖和生活热水。因此，如何构建以CMFC为核心的电一热联供系统，由此来提高能源利用效率，并满足我们高质量的生活需要，是科技工作者需要解决的问题。 发明内容针对现有技术中的不足，本实用新型提出了一种以上述多通道管状阳极支撑结构的 CMFC组成的电池堆为核心的电一热联供装置，有利于提高中小型CMFC分布式电源装置的 能源利用效率。本实用新型的技术方案如下-本实用新型的陶瓷膜燃料电池电一热联供装置，包括多通道管状阳极支撑结构的 CMFC单电池组成的CMFC电池堆组，以及由燃气供热的冷热水交换装置，其特征在于，所 述多通道阳极支撑管状结构的CMFC单电池组成的CMFC电池堆组和由燃气供热的冷热水 循环装置均包容在一个带有保温层的柱形壳体中，该壳体内腔由隔热层分为两层，下层 为燃料供应室，设有燃料进入管道，用于补充燃料；上层空腔再由-一电绝缘陶瓷分隔板 分隔为两层，下层为燃料尾气收集室；CMFC电池堆组放置在上层空腔中，它们沿壳体内 壁排列，并使构成阳极的多通道管管口朝下，电池堆组与壳体内壁之间以及电池堆组顶 部与壳体内顶面之间有用作空气通道的缝隙，电池堆组各组之间采用导线实现电学连 接，并通过导线引到壳体外经控制器转换后与用户的用电器连接；在电池堆组各组中间 设有一个上小下大的由耐火材料构成的阶梯筒形件，它支撑在电绝缘陶瓷分隔板上，其 下部的大空间用作加热的燃烧室，其中还设有用来加热空气的热交换器，该空气热交换 器的进气口伸到壳体外，冷空气经预热后从上部输送到CMFC电池堆的阴极外侧空间，阶 梯筒的上部引出壳体外作为尾气排出通道，所述冷热水交换管设置在该通道内，其进出 管均引出壳体外，用于供用户热水；所述电绝缘陶瓷分隔板固定在壳体内壁上，该分隔 板的中部和周边处均分布有通孔，其中部的孔在燃烧室范围内，构成喷嘴形式，并在喷 嘴附近设有一电子点火器；周边处孔分别与CMFC电池堆组中各单电池的多通道管管口对 应，其中多通道的中心支管上安装有电绝缘燃料导气管，该导气管的另一端穿过燃料尾 气收集室和隔热层进入燃料供应室；其余的支管通过电绝缘陶瓷分隔板上的孔与燃料尾 气收集室连通，使燃料供应室的燃料气体经电绝缘燃料导气管进入燃料电池的阳极室的 中心支管，然后流经阳极室的其它支管，最后经燃料尾气收集室喷向燃料室经电子点火 器点火燃烧。本实用新型所述的陶瓷膜燃料电池电一热联供装置中，可设置一个现有技术中常用
的控制器，例如控制电路，用于控制电子点火器的启动和关闭，监测CMFC电池堆、燃烧 室、空气热交换管、冷热水交换管内的温度，控制系统输出转换及用户用电量及生活热 水的供应量和热水温度等。本实用新型所述的陶瓷膜燃料电池电一热联供装置，充分发挥和利用了 ZL02113198. 8所提供的多通道管状阳极支撑结构的CMFC单电池的先进性，由于所述电池 堆排布在燃烧室外围，输送的燃料在燃烧室点燃后的热辐射可以快速的加热电池堆，同 时，经燃烧室内的热交换器预热的空气进入电池堆后也可以进一步加热电池堆，双重加 热可以使电池堆快速的加热到工作温度，从而使供电系统快速度启动；同时，在本装置 中，经电池堆发电后的燃料尾气在燃烧室点燃后，除了用来预热空气外，排空之前的高 温废气可通过热交换器来提供生活热水，然后再低温排放到外环境，最大限度的利用燃 料的燃烧热能，提高了燃能利用率。下面通过实施例及其附图做进一步描述。
图l是本实用新型所述的陶瓷膜燃料电池电一热联供装置的一种实施例的结构示意图。图2是图1的B-B仰视图。图3是本实用新型所述的陶瓷膜燃料电池电一热联供装置的一种控制器的电路实施例示意图。
具体实施方式
参见图1和图2， 2是四方柱形外壳体，它由隔热层9分隔为上、下两层，下层为燃料 供应室6，设有燃料进入管道，用于供给燃料，5为其燃料进口管。上层空腔再由一电绝 缘陶瓷分隔板8分隔为两层，下层为燃料尾气收集室10;两组多通道管状结构的CMFC单 电池组成的CMFC电池堆组1放置在上层空腔中，它们沿壳体内壁排列，并使构成阳极的 多通道管管口朝下，电池堆组与壳体内壁之间以及电池堆组顶部与壳体内顶面之间有用 作空气通道的缝隙，电池堆组各组之间电学连接，由电流引出器17引到壳体外后经控制 器20转换后与用户电路连接；ll是用来固定电池堆的夹具。在电池堆组围成的圈中间设 有一个上小下大的由耐火材料构成的阶梯筒件19，它支撑在电绝缘陶瓷分隔板8上，其 下部的大空间为燃烧室16， 4是放置在燃烧室上部的用来加热空气的热交换器，该空气
热交换器的进气口3从其上部伸到壳体外，冷空气经预热后从上部输送到CMFC电池堆的 阴极外侧空间。阶梯筒件19的上部引出壳体外作为尾气排出通道并经排放管13排出，所 述冷热水交换管12设置在该通道内，其进出水管14、 15均引出壳体外，用于供给用户热 水。所述电绝缘陶瓷分隔板8固定在壳体2的内壁上，该分隔板的中部和周边处均分布有 通孔，其中部的孔在燃烧室范围内，构成喷嘴形式，在喷嘴口附近有一现有技术中的电 子点火器18;周边处孔分别与CMFC电池堆上多通道管管口对应，其中多通道的中心支管 上安装有电绝缘燃料导气管7，该导气管7的另一端穿过燃料尾气收集室10和隔热层9进 入燃料供应室6，其余的支管通过电绝缘陶瓷分隔板8上的孔与燃料尾气收集室10连通； 燃料供应室的燃料气体经电绝缘燃料导气管进入燃料电池的阳极室，燃料尾气再经燃料 尾气收集室喷向燃料室经电子点火器18点火燃烧。图l中实线箭头指示空气(氧化剂)流动方向，虚线箭头指示燃料气流动方向。图2 中符号"X"和" "表示燃料的流动方向，"X"表示由纸外向纸内，" "表示山 纸内向纸外。图3中的圆点加上数字表示对数字所代表的系统部件的监测。参见图3，所述的控制器20包含有启动系统的蓄电池21，电子点火器18的启动和关 闭电路22， CMFC电池堆1、燃烧室16、空气热交换管4和冷热水交换管12内的温度的监测 电路23，系统输出电到用户用电器26的转换器和用户用电监测器24，燃料、空气、生活 用水的流量调节控制电路25及主控制器27。主控制器27用于程序设定并对系统工作状态 (包括系统工作的温度，燃料、空气和生活用水的流量，用户的用电情况等)进行监测， 通过用户用电量及生活热水需求量和热水温度等反馈调节燃料和空气的流量，并保证系 统在安全稳定的条件下运行。系统启动时，通过控制器20程序启动燃料和空气输运系统， 同时启动电子点火器18，当燃料在燃烧室16内开始燃烧时即可关闭电子点火器18; CMFC 电池堆系统1通过热辐射及预热空气热交换管4内已预热的空气加热，使之快速加热到系 统工作温度(600 800°C)并开始向外供电；CMFC电池堆系统的输出电压为24 32V， 额定输出功率为2.5kW。本实施例的工作方式为燃料从系统的燃料进口管5进入燃料供应室6，经电绝缘燃 料导气管7进入燃料电池的阳极室，空气从空气进口管3进入燃烧室16中的空气热交换管 4，预热后输送到CMFC电池堆1的阴极侧空间，与阳极侧各通道中的燃料发生电化学反应 输出电能，从阳极各通道流出的未反应的燃料气，进入燃料尾气收集室IO，再通过电绝 缘陶瓷分隔板8上的喷嘴进入燃烧室16，与从燃烧室16侧面通气孔进入的空气发生燃烧 反应，产生的热能对空气热交换管4中的空气进行预热，温度仍然较高的热废气经过阶 梯筒件19的上部与冷热水交换管12发生热交换，进-步降低温度后进入尾气排放管]3 排空。本实施例中，所述四方柱形外壳体的横截面为35X30cm2，高约为110cm，壳体内有 约4cm的保温层；所使用的燃料气体是氢气，氨气，甲醇，甲烷或其它碳氢化合物燃料 气，对于碳氢燃料通常需加入少量水汽，使燃料在阳极室中重整为氢和一氧化碳，所述 的CMFC电池堆1是按照ZL02113198.8专利报道的方法制备的3通道管状单电池组成的 CMFC电池堆组，单电池尺寸为3XlX85cm，每组电池堆由20根单电池组成；所述电绝缘 燃料导气管为致密绝缘陶瓷管，长约12cni，其--端插入CMFC的多通道的中心支管约2cm 并通过陶瓷灌浆法使其密封。本实施例的CMFC电池堆系统的输出电压为24 32V，额定 输出功率为2.5kW。
权利要求1.一种陶瓷膜燃料电池电—热联供装置，包括多通道管状结构的CMFC单电池组成的CMFC电池堆组，以及由燃气供热的冷热水交换装置，其特征在于，所述多通道管状结构的CMFC单电池组成的CMFC电池堆组和由燃气供热的冷热水循环装置均包容在一个带有保温层的柱形壳体中，该壳体内腔由隔热层分为两层，下层为燃料供应室，设有燃料进入管道；上层空腔再由一电绝缘陶瓷分隔板分隔为两层，下层为燃料尾气收集室；CMFC电池堆组放置在上层空腔中，它们沿壳体内壁排列，并使构成阳极的多通道管管口朝下，电池堆组与壳体内壁之间以及电池堆组顶部与壳体内顶面之间有用作空气通道的缝隙，电池堆组各组之间采用导线实现电学连接，并通过导线引到壳体外后经控制器转换后与用户的用电器连接；在电池堆组各组中间设有一个上小下大的由耐火材料构成的阶梯筒形件，它支撑在电绝缘陶瓷分隔板上，其下部的大空间用作加热的燃烧室，其中还设有用来加热空气的热交换器，该空气热交换器的进气口伸到壳体外，冷空气经预热后从上部输送到CMFC电池堆的阴极外侧空间，阶梯筒的上部引出壳体外作为尾气排出通道，所述冷热水交换管设置在该通道内，其进出管均引出壳体外；所述电绝缘陶瓷分隔板固定在壳体内壁上，该分隔板的中部和周边处均分布有通孔，其中部的孔在燃烧室范围内，构成喷嘴形式，并在喷嘴附近设有一电子点火器；周边处孔分别与CMFC电池堆组中各单电池的多通道管管口对应，其中多通道的中心支管上安装有电绝缘燃料导气管，该导气管的另一端穿过燃料尾气收集室和隔热层进入燃料供应室；其余的支管通过电绝缘陶瓷分隔板上的孔与燃料尾气收集室连通。
专利摘要本实用新型属于燃料电池领域，特别涉及陶瓷膜燃料电池的应用技术。该装置将多通道管状结构的CMFC单电池组成的CMFC电池堆组冷热水循环装置容置在一个带有保温层的柱形壳体中，该壳体下层为燃料供应室，上层空腔由电绝缘陶瓷分隔板分隔为两层，下层为燃料尾气收集室；CMFC电池堆组放置在上层空腔中。燃料气体经电绝缘燃料导气管进入阳极室的中心支管，然后流经其它支管，最后经燃料尾气收集室喷向燃料室点火燃烧。在电池堆组中间有阶梯筒形件，其下部为燃烧室，其中设有空气热交换器，阶梯筒的上部为尾气排出通道，冷热水交换管设置在该通道内，供用户热水。燃料在燃烧室点燃后的热辐射快速的加热电池堆，同时预热的空气也进一步加热电池堆，使供电系统快速度启动，提高了燃能利用率。
文档编号H01M8/06GK201048144SQ20072003564
公开日2008年4月16日 申请日期2007年3月23日 优先权日2007年3月23日
发明者刘铭飞, 孟广耀 申请人:中国科学技术大学