CN109830729B - 一种热管支撑直接内重整固体氧化物燃料电池装置及方法 - Google Patents

一种热管支撑直接内重整固体氧化物燃料电池装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种热管支撑直接内重整固体氧化物燃料电池装置及方法。本发明在燃料电池的顶端和底端分别设置阳极预混腔和阳极燃烧腔，在燃料电池内壁设置高温热管，燃料从阳极预混腔进入至阳极燃烧腔，燃烧加热高温热管的加热端，高温热管内部的导热介质蒸发，从加热端流通至冷凝端的过程中冷凝放热，实现燃料电池的快速启动；通过高温热管实现燃料电池内部重整反应区与电化学反应区之间迅速的热传导，有效解决直接内重整固体氧化物燃料电池中由于二者热效应不同造成的温度分布不均匀以及热应力等问题；使得电化学反应释放的热能更多地转化为重整产物的化学能；电化学反应释放的热能更多地转化为重整产物的化学能，有效提升燃料电池的性能与寿命。

Description

一种热管支撑直接内重整固体氧化物燃料电池装置及方法
技术领域
本发明涉及固体氧化物燃料电池技术，具体涉及一种热管支撑直接内重整固体氧化物燃料电池装置及方法。
背景技术
固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种可以在高温下直接将燃料的化学能直接转化为电能的发电装置，在固定式电站、动力电源及便携电源等领域具有广阔的应用前景。
当在SOFC中使用碳氢燃料作为燃料时，通常需要重整反应过程将其转化为H2与CO，以提高SOFC的性能与寿命。SOFC的高温操作使其可将碳氢燃料与氧化剂(通常为水蒸气或二氧化碳)共同通入SOFC的阳极，在阳极内部实现碳氢燃料的重整反应过程，构成直接内重整固体氧化物燃料电池(DIR-SOFC)。DIR-SOFC作为整体技术，主要优点在于：(1)无需外部重整器，降低***成本与复杂度；(2)可将电化学反应释放的热能转化为重整反应中重整产物的化学能，提高碳氢燃料的转化率与SOFC发电效率。
在DIR-SOFC中，阳极同时发生吸热的重整反应(反应1或反应2)以及放热的电化学反应(反应3、4)，
Figure BDA0001956218960000011
Figure BDA0001956218960000012
H2+O2-→H2O+2e- (3)
CO+O2-→CO2+2e- (4)
二者热效应的不同会使SOFC内部出现较大的温度梯度，进而产生热应力，造成电池微观结构破坏以及性能下降，甚至导致电池失效。
发明内容
本发明提出了一种热管支撑直接内重整固体氧化物燃料电池装置及方法，解决现有DIR-SOFC广泛存在的由于重整反应与电化学反应热效应不同造成的温度梯度及热应力问题，利用热管支撑层良好的导热特性实现DIR-SOFC内部不同反应区域之间热量的快速传导，降低燃料电池内部的温度梯度与热应力，进而提高电池的性能与寿命。
本发明的一个目的在于提出一种热管支撑直接内重整固体氧化物燃料电池装置。
本发明的热管支撑直接内重整固体氧化物燃料电池装置包括：燃料电池、阳极预混腔、阳极燃烧腔、高温热管、温度传感器和点火枪；其中，燃料电池为管式固体氧化物燃料电池，从外至内依次包括紧密套装的阴极、固体氧化物电解质层和阳极；在燃料电池的顶端设置阳极预混腔，在燃料电池的底端设置阳极燃烧腔，固体氧化物电解质层和阳极的顶端穿过阳极预混腔的底壁进入阳极预混腔内，并且底端穿过阳极燃烧腔的顶壁进入阳极燃烧腔内，阴极位于阳极预混腔和阳极燃烧腔外，固体氧化物电解质层的侧壁与阳极预混腔和阳极燃烧腔的接触部位密封；阳极预混腔的侧壁上分别设置有燃料入口和氧化剂入口；点火枪从阳极燃烧腔的侧壁伸入至阳极燃烧腔内；在阳极燃烧腔的底壁设置有阳极气体出口；在阳极的内表面设置一根或多根高温热管，高温热管包括管壁和导热介质，管壁的内部填充导热介质，高温热管的上部为冷凝端，下部为加热端；在阳极的表面设置有温度传感器；温度传感器通过导线连接至外部的信号接收器；阳极的底端设置绝缘管，连接阳极的阳极导线穿过绝缘管连接至外电路；阴极通过阴极导线连接至外电路；燃料电池装置包括启动阶段和运行阶段；在启动阶段，燃料和启动阶段的氧化剂分别通过燃料入口和氧化剂入口进入阳极预混腔，通过燃料电池中间的气体通道流入阳极燃烧腔，经点火枪点火后在阳极燃烧腔中燃烧，高温热管的加热端被加热，内部的导热介质蒸发，从加热端流通至冷凝端的过程中冷凝放热，加热燃料电池，当温度传感器监测到温度达到设定的运行温度后，启动阶段完成，进入运行阶段；在运行阶段，燃料和运行阶段的氧化剂分别通过燃料入口和氧化剂入口进入阳极预混腔，流入燃料电池中间的气体通道，流经高温热管间的空隙通过阳极上的多孔结构进入燃料电池，在阳极发生重整反应，生成H2和CO，同时空气经由阴极的多孔结构进入燃料电池，燃料电池消耗H2、CO和空气进行电化学反应发电，产生的电由阴极导线和阳极导线导出至外电路，阳极反应尾气H2O和CO2从阳极气体出口流出，同时高温热管的加热端吸收电化学反应放出的热量，导热介质蒸发，从加热端流通至冷凝端的过程中冷凝放热，为重整反应提供热量。
氧化剂分为启动阶段的氧化剂和运行阶段的氧化剂；启动阶段的氧化剂为氧气或空气；运行阶段的氧化剂为水蒸气或二氧化碳。燃料采用气体燃料或液体燃料；气体材料采用甲烷、乙烷、丙烷和丁烷中的一种或多种；液体燃料采用汽油或柴油。
高温热管采用多根均匀分布的平行竖直的高温热管，或者采用单根或多根螺旋上升高温热管，以形成阳极气体通道。
导热介质为加热蒸发的液态金属，液态的钠、钾或钾钠混合物。高温热管的管壁采用耐高温的导热良好材料，如不锈钢等。
阳极为镍基阳极，燃料电池运行阶段，燃料与氧化剂在阳极入口段发生重整反应，反应1或反应2，转化为氢气与一氧化碳，随后氢气与一氧化碳在阳极发生电化学反应，进行发电。
进一步，本发明还包括上方隔板和下方隔板，在阳极预混腔下设置上方隔板，在阳极燃烧腔上设置下方隔板，燃料电池的固体氧化物电解质层和阳极的顶端穿过上方隔板进入阳极预混腔内，并且底端穿过下方隔板进入阳极燃烧腔内。
本发明的另一个目的在于提供一种热管支撑直接内重整固体氧化物燃料电池装置的控制方法。
本发明的热管支撑直接内重整固体氧化物燃料电池装置的控制方法，包括启动阶段和运行阶段：
一、启动阶段
1)燃料和启动阶段的氧化剂分别通过燃料入口和氧化剂入口进入阳极预混腔，通过燃料电池中间的气体通道流入阳极燃烧腔；
2)点火枪点火，燃料在阳极燃烧腔中燃烧；
3)高温热管的加热端加热，内部的导热介质蒸发，从加热端流通至冷凝端的过程中冷凝放热，加热燃料电池；
4)当温度传感器监测到温度达到设定的运行温度后，启动阶段完成，进入运行阶段；
二、运行阶段
1)燃料和运行阶段的氧化剂分别通过燃料入口和氧化剂入口进入阳极预混腔，流入燃料电池中间的气体通道，流经高温热管间的空隙通过阳极上的多孔结构进入燃料电池；
2)燃料和运行阶段的氧化剂在阳极发生重整反应，生成H2与CO，同时空气经由阴极的
多孔结构进入燃料电池，燃料电池消耗H2、CO与空气进行电化学反应发电，产生的电由阴极导线和阳极导线导出至外电路，阳极尾气H2O和CO2从阳极气体出口流出；
3)同时高温热管的加热端吸收电化学反应放出的热量，导热介质蒸发，从加热端流通至冷凝端的过程中冷凝放热，为重整反应提供热量。
本发明的优点：
本发明采用燃料燃烧和高温热管实现燃料电池的快速启动；通过高温热管实现燃料电池内部重整反应区与电化学反应区之间迅速的热传导，有效解决DIR-SOFC中由于二者热效应不同造成的温度分布不均匀以及热应力等问题；使得电化学反应释放的热能更多地转化为重整产物的化学能；电化学反应释放的热能更多地转化为重整产物的化学能，从而有效提升燃料电池的性能与寿命。
附图说明
图1为本发明的热管支撑直接内重整固体氧化物燃料电池装置的一个实施例的示意图；
图2为本发明的热管支撑直接内重整固体氧化物燃料电池装置的一个实施例的燃料电池的示意图。
具体实施方式
下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。
如图1所示，本实施例的热管支撑直接内重整固体氧化物燃料电池装置包括：燃料电池1、阳极预混腔2、阳极燃烧腔3、高温热管4、温度传感器5、点火枪6、上方隔板7和下方隔板8；其中，如图2所示，燃料电池1为管式固体氧化物燃料电池，从外之内依次包括紧密套装的阴极11、固体氧化物电解质层12和阳极13，管式的阳极的中间为气体通道；在燃料电池1的顶端设置阳极预混腔2，在燃料电池1的底端设置阳极燃烧腔3，在阳极预混腔下设置上方隔板7，在阳极燃烧腔上设置下方隔板8，燃料电池的固体氧化物电解质层12和阳极13的顶端穿过上方隔板7进入阳极预混腔2内，并且底端穿过下方隔板8进入阳极燃烧腔3内，阴极11位于阳极预混腔2和阳极燃烧腔3外，固体氧化物电解质层12的侧壁与上方隔板7、下方隔板8、阳极预混腔2和阳极燃烧腔3的接触部位密封；阳极预混腔2的侧壁上设置有燃料入口F和氧化剂入口O；点火枪6从阳极燃烧腔3的侧壁伸入至阳极燃烧腔3内；在阳极燃烧腔3的底壁设置有阳极气体出口E；在阳极的内表面设置高温热管4，高温热管4包括管壁和导热介质，管壁的内部填充导热介质，高温热管4的上部为冷凝端，下部为加热端；在阳极的表面设置有温度传感器5；温度传感器5通过导线连接至外部的信号接收器；阳极的底端设置绝缘管9，连接阳极13的阳极导线穿过绝缘管连接至外电路；阴极11通过阴极导线连接至外电路。
在本实施例中，高温热管4采用多根均匀分布的平行竖直高温热管；导热介质采用液态的钾钠混合物；温度传感器5采用热电偶。
本实施例的热管支撑直接内重整固体氧化物燃料电池装置的控制方法，包括启动阶段和运行阶段：
一、启动阶段
1)燃料和氧气分别通过燃料入口F和氧化剂入口O进入阳极预混腔2，通过燃料电池1中间的气体通道流入阳极燃烧腔3；
2)点火枪6点火，燃料在阳极燃烧腔3中燃烧；
3)高温热管4的加热端加热，内部的导热介质蒸发，从加热端流通至冷凝端的过程中冷凝放热，加热燃料电池1；
4)当温度传感器5监测到温度达到设定的运行温度后，启动阶段完成，进入运行阶段；
二、运行阶段
1)燃料和水蒸气分别通过燃料入口F和氧化剂入口O进入阳极预混腔2，流入燃料电池
1中间的气体通道流，经高温热管4间的空隙通过阳极的多孔结构进入燃料电池1；
2)燃料和水蒸气在燃料电池1内的阳极13中Ni催化剂上发生重整反应，生成H2与CO同时空气经由阴极的多孔结构进入燃料电池1，燃料电池1消耗H2、CO和空气进行电化学反应发电，产生的电由阴极导线和阳极导线导出至外电路，阳极尾气H2O和CO2从阳极气体出口E流出；
3)同时高温热管4的加热端吸收电化学反应放出的热量，导热介质蒸发，从加热端流通至冷凝端的过程中冷凝放热，为重整反应提供热量。
最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (9)

1.一种热管支撑直接内重整固体氧化物燃料电池装置，其特征在于，所述燃料电池装置包括：燃料电池、阳极预混腔、阳极燃烧腔、高温热管、温度传感器和点火枪；其中，所述燃料电池为管式固体氧化物燃料电池，从外至内依次包括紧密套装的阴极、固体氧化物电解质层和阳极；在燃料电池的顶端设置阳极预混腔，在燃料电池的底端设置阳极燃烧腔，固体氧化物电解质层和阳极的顶端穿过阳极预混腔的底壁进入阳极预混腔内，并且底端穿过阳极燃烧腔的顶壁进入阳极燃烧腔内，阴极位于阳极预混腔和阳极燃烧腔外，固体氧化物电解质层的侧壁与阳极预混腔和阳极燃烧腔的接触部位密封；所述阳极预混腔的侧壁上分别设置有燃料入口和氧化剂入口；所述点火枪从阳极燃烧腔的侧壁伸入至阳极燃烧腔内；在阳极燃烧腔的底壁设置有阳极气体出口；在阳极的内表面设置一根或多根高温热管，高温热管包括管壁和导热介质，管壁的内部填充导热介质，高温热管的上部为冷凝端，下部为加热端；在阳极的表面设置有温度传感器；温度传感器通过导线连接至外部的信号接收器；所述阳极的底端设置绝缘管，连接阳极的阳极导线穿过绝缘管连接至外电路；所述阴极通过阴极导线连接至外电路；所述燃料电池装置包括启动阶段和运行阶段；在启动阶段，燃料和启动阶段的氧化剂分别通过燃料入口和氧化剂入口进入阳极预混腔，通过燃料电池中间的气体通道流入阳极燃烧腔，经点火枪点火后在阳极燃烧腔中燃烧，高温热管的加热端被加热，内部的导热介质蒸发，从加热端流通至冷凝端的过程中冷凝放热，加热燃料电池，当温度传感器监测到温度达到设定的运行温度后，启动阶段完成，进入运行阶段；在运行阶段，燃料和运行阶段的氧化剂分别通过燃料入口和氧化剂入口进入阳极预混腔，流入燃料电池中间的气体通道，流经高温热管间的空隙通过阳极上的多孔结构进入燃料电池，在阳极发生重整反应，生成H2和CO，同时空气经由阴极的多孔结构进入燃料电池，燃料电池消耗H2、CO和空气进行电化学反应发电，产生的电由阴极导线和阳极导线导出至外电路，阳极反应尾气H2O和CO2从阳极气体出口流出，同时高温热管的加热端吸收电化学反应放出的热量，导热介质蒸发，从加热端流通至冷凝端的过程中冷凝放热，为重整反应提供热量。
2.如权利要求1所述的燃料电池装置，其特征在于，所述氧化剂分为启动阶段的氧化剂和运行阶段的氧化剂；启动阶段的氧化剂为氧气或空气；运行阶段的氧化剂为水蒸气或二氧化碳。
3.如权利要求1所述的燃料电池装置，其特征在于，所述燃料采用气体燃料或液体燃料；气体燃料采用甲烷、乙烷、丙烷和丁烷中的一种或多种；液体燃料采用汽油或柴油。
4.如权利要求1所述的燃料电池装置，其特征在于，所述导热介质为加热蒸发的液态金属。
5.如权利要求4所述的燃料电池装置，其特征在于，所述导热介质为液态的钠、钾或钾钠混合物。
6.如权利要求1所述的燃料电池装置，其特征在于，所述燃料电池装置还包括上方隔板和下方隔板，在阳极预混腔下设置上方隔板，在阳极燃烧腔上设置下方隔板，燃料电池的固体氧化物电解质层和阳极的顶端穿过上方隔板进入阳极预混腔内，并且底端穿过下方隔板进入阳极燃烧腔内。
7.如权利要求1所述的燃料电池装置，其特征在于，所述高温热管的管壁采用耐高温的导热良好材料。
8.一种如权利要求1所述的热管支撑直接内重整固体氧化物燃料电池装置的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括启动阶段和运行阶段：
一、启动阶段
1)燃料和启动阶段的氧化剂分别通过燃料入口和氧化剂入口进入阳极预混腔，通过燃料电池中间的气体通道流入阳极燃烧腔；
2)点火枪点火，燃料在阳极燃烧腔中燃烧；
3)高温热管的加热端加热，内部的导热介质蒸发，从加热端流通至冷凝端的过程中冷凝放热，加热燃料电池；
4)当温度传感器监测到温度达到设定的运行温度后，启动阶段完成，进入运行阶段；
二、运行阶段
1)燃料和运行阶段的氧化剂分别通过燃料入口和氧化剂入口进入阳极预混腔，流入燃料电池中间的气体通道，流经高温热管间的空隙通过阳极上的多孔结构进入燃料电池；
2)燃料和运行阶段的氧化剂在阳极发生重整反应，生成H2与CO，同时空气经由阴极的多孔结构进入燃料电池，燃料电池消耗H2、CO与空气进行电化学反应发电，产生的电由阴极导线和阳极导线导出至外电路，阳极尾气H2O和CO2从阳极气体出口流出；
3)同时高温热管的加热端吸收电化学反应放出的热量，导热介质蒸发，从加热端流通至冷凝端的过程中冷凝放热，为重整反应提供热量。
9.如权利要求8所述的控制方法，其特征在于，在启动阶段的步骤1)中，启动阶段的氧化剂为氧气或空气；在运行阶段的步骤1)中，运行阶段的氧化剂为水蒸气或二氧化碳。
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