一种自维持式直接碳微管固体氧化物燃料电池组的制作方法

本发明涉及直接使用碳燃料的微管式固体氧化物燃料电池，具体涉及一种自维持式直接碳微管固体氧化物燃料电池组。

背景技术：

固体氧化物燃料电池(SOFC)一般由传导氧离子的致密电解质和分别对燃料和氧化剂有电催化作用的多孔阳极和阴极组成。SOFC的优点之一是具备燃料普适性，能够使用各种各样的燃料，容易推广且运行费用低。虽然氢气是一种清洁燃料，用于燃料电池时具有很高的电化学活性，但氢气是一种二次能源，不能从自然界中直接获得，因而成本高。此外，氢气还存在体积能量密度低、储存运输和安全性等问题。

而碳燃料不存在上述问题。在各种SOFC的燃料中，碳燃料的来源最为广泛，可来自储量丰富的煤、生物质(木屑、秸秆及其它植物)和废弃塑料等。与氢气相比，碳的能量密度高，而且没有储存和运输的安全问题。因此，直接碳固体氧化物燃料电池（DC-SOFC）受到了越来越多的重视。但是，由于生物质资源收集成本高，目前还未引起足够的重视和合理利用，造成了空气污染和能源浪费。因此，将生物质碳应用于DC-SOFC发电是研究者们多年的梦想，也是今后技术发展的大势所趋。

DC-SOFC的结构非常简单，可将碳燃料直接置于SOFC的反应室（2），当电池的工作温度达到800 °C以上时，接通电池，DC-SOFC中残留空气中的氧气将和碳燃料发生氧化反应生成CO，CO扩散到阳极反应区域发生如下电化学反应使电池启动。

CO+O^2-=CO₂+2e^-

此反应生成的CO₂扩散到碳燃料的表面，与碳发生Boudouard反应。

CO₂+C=2CO

生成的CO再扩散到阳极反应区发生电化学氧化反应，如此反复循环，就实现了电化学方式消耗固体碳燃料而发电的目的。

DC-SOFC除了具有一般燃料电池的共同优点外，还有动力学过程快、燃料利用率高、全固态结构等独有的优势。由于DC-SOFC的反应温度比常温要高很多，为了保证反应所需的温度（800-850 °C），必须具有大的热源。现有的DC-SOFC主要采用电加热方法进行升温，加热方式主要是通过绕在反应室周围的加热管。这种设计不仅降低了DC-SOFC的便携性，而且降低了其适用性，导致其在无外电源的情况下无法启动并正常工作。

如果能在燃料电池设计中有效的利用DC-SOFC发电过程中释放的大量废热，利用废热自维持电池工作所需的高温，实现电池的热电联产。这种设计不仅能够降低燃料电池的成本，而且还能扩大燃料电池的使用范围，有望得到具有良好应用前景的新型便携式电源或备用电源。

基于以上原因，本发明设计了一种自维持式直接碳微管固体氧化物燃料电池组。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种自维持式直接碳微管固体氧化物燃料电池组，将DC-SOFC的冗余热能供给和碳燃料气化的热量需求结合起来，避免能源的浪费，大大提高系统的发电效率，提供一种适用于小型应用的DC-SOFC电源。

其技术方案是：每个微管固体氧化物燃料电池单体的下端嵌入30目不锈钢网中，上端嵌入12目不锈钢网中，30目不锈钢网放在底部带支撑环的反应室内，在反应室上方添加碳燃料，碳燃料能够通过12目不锈钢网落入到底部的30目不锈钢网上，碳燃料中部安装有热电偶，在反应室下方设有点火器，外部设有保温层。

维持工作所需的碳燃料是通过对生物质进行简单加工处理而得到，能量密度高且不容易爆炸，没有储存和运输的安全问题。由于微管固体氧化物燃料电池单体置于碳燃料中，使碳燃料的储量不受微管固体氧化物燃料电池单体内径的限制，只取决于反应室的大小，可以装入更多的碳燃料，提高电池稳定时间。将碳燃料燃烧产生的热量充分利用起来，提供电池组工作所需的高温，提高系统的发电效率，实现自维持。在电池正常工作时，可通过装置的顶部连续不断的向反应室内添加碳燃料，实现电池的连续性运行。

本发明的有益效果是：（1）本发明将DC-SOFC的冗余热能供给和碳燃料气化的热量需求结合起来，在无任何热源的条件下实现自维持，保证电池能顺利启动和连续性工作，且大大提高系统的发电效率，使燃料电池进入普通家庭成为可能。（2）具有单室固体氧化物燃料电池的特征，但阴、阳极不需密封，只做简单隔离，节约成本。（3）碳燃料的储量不受微管固体氧化物燃料电池组内径的限制，只取决于反应室的大小，因此电池性能大大提高。（4）所需的能量全部储存在碳燃料中，燃料不足时只需通过反应室顶部进行补充，电池组能连续性工作。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是图1中所述微管固体氧化物燃料电池单体集成安装图。

图3是本发明内部结构示意图。

具体实施方式

按照图3所示，将多根微管固体氧化物燃料电池单体（3）用银丝（10）进行并联并检查其绝缘情况。

按照图2所示，微管固体氧化物燃料电池单体（3）上、下两端分别嵌入12目不锈钢网（5）和30目不锈钢网（4）中，并用银浆加以固定。将组装好的微管固体氧化物燃料电池组安放在反应室（2）内，保证30目不锈钢网（4）放在反应室（2）底部的支撑环（9）上。在电池组上方添加碳燃料（6），碳燃料（6）穿过12目不锈钢网（5）落入反应室（2）中，在反应室（2）底部由不锈钢网（4）支撑住，保证碳燃料（6）与微管固体氧化物燃料电池单体（3）的外侧紧密接触，并在反应室（2）上方盖上一层保温棉。使用点火器（8）从反应室（2）底部点火，保证碳燃料（6）能够正常燃烧，采用热电偶（7）测量反应室（2）内部温度。

通过温度调整反应室（2）上方保温棉的透气程度，如果温度低于800 °C则增加保温棉用量，如果温度高于900 °C，则减小保温棉的用量，保证为系统在无电加热的情况下能够维持工作温度。

当电池组的开路电压达到预定值并稳定一段时间后，接入负载，使自维持式直接碳微管固体氧化物燃料电池组开始工作。根据反应室（2）中碳燃料（6）的消耗程度，适时补充碳燃料（6），保证电池组的持续稳定运行。