[发明专利]一种直接碳固体氧化物燃料电池电源系统

说明书

技术领域

本发明涉及固体氧化物燃料电池，特别是涉及直接使用碳燃料的固体氧化物燃料电池，具体涉及一种直接碳锥管串接式固体氧化物燃料电池电源系统。

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。由于SOFC在高温下(600-1000℃)工作，它不仅可以采用氢气作燃料，还可以直接采用碳氢化合物甚至固体碳作燃料。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。而碳氢化合物和碳燃料不存在上述问题，因此，直接使用碳氢化合物和碳燃料的SOFC受到了越来越多的重视。

在各种可为SOFC所用的燃料中，碳燃料的来源最为广泛，可来自储量丰富的煤、生物质材料(木屑、秸秆、其他植物等)、废弃塑料等。与氢气比起来，碳的能量密度高，没有储存和运输问题，安全，无需专门容器，用于SOFC可使结构高度集约化，特别适合小型电源应用方面，如便携式电源和备用电源等。

直接碳SOFC的结构非常简单，可将碳燃料直接置于SOFC的阳极室，当电池的工作温度达到800℃以上时，接通电池回路，电池中残留的空气中的氧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氧化反应使电池启动

CO+O^2-＝＝CO₂+2e^-

此反应生成的CO₂扩散到燃料碳的表面，与碳发生气化(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，就实现了通过电化学方式消耗固体碳燃料而发电的目的。

目前SOFC普遍采用钇稳定化氧化锆(YSZ)作电解质，管式电解质支撑和阳极支撑的SOFC直接采用碳燃料工作的可行性已得到证实(一种直接碳固体氧化物燃料电池，中国发明专利：CN200910192848.8)。

SOFC单电池的开路电压只有1V左右，不能用于实际应用，为此，需要将很多SOFC单电池进行适当的串联和并联以得到需要的输出。锥管串接式SOFC(锥管式阳极支撑固体氧化物燃料电池单体及电池组，中国发明专利：ZL200510101487.3)是锥管状单电池相互串联而构成的，这种电池结构能够在较小的尺寸下提供较高的电压，特别适合小型电源应用。因此将这种适合小型化应用的SOFC结构和同样有利于小型电源应用的碳燃料结合起来，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。

SOFC工作时，燃料的氧化反应发生在阳极，传统的管式SOFC的阳极是在管的内侧，可将碳燃料直接加入电池管中。这种直接将碳燃料置于SOFC内的结构使SOFC结构简单，但存在着一些不足：(1)其碳燃料在电池内的储量受到电池内体积(容积)的限制，从而使SOFC的一次性使用寿命受到限制；(2)直接碳SOFC工作时，在燃料处发生的Boudouard反应是吸热反应，置于SOFC内部的燃料难以及时得到热量的补充，使电池的性能受到影响；(3)理论上，直接碳SOFC高温下工作时的热力学平衡产物主要是CO，这些气体直接排出不仅严重污染环境，还造成能源的浪费。

发明内容

本发明的目的在于将能量密度高且易于携带的碳燃料与适合小型化应用的锥管串接式SOFC设计相结合，提供一种适合于小型应用的SOFC电源。

本发明另一目的在于将传统的内侧阳极管式SOFC设计改为外侧阳极设计，提供一种大容量的直接碳SOFC电源。

本发明将管式SOFC的阳极设置在管的外侧，而阴极在里侧，将碳燃料置于一个耐高温且导热的容器中，将SOFC置于碳燃料中，有效解决现有技术存在的问题：(1)碳燃料的储量取决于导热容器的大小，而不受SOFC尺寸的限制，使得碳燃料的使用量范围大大拓宽；(2)可通过导热容器向碳燃料提供发生气化反应所必须的热量；(3)电池反应产生的含有CO的尾气可通过一带有促进CO氧化反应的催化剂的燃烧室进行充分燃烧，然后通过换热器将产生的热量提供给导热容器，以补充热量。这样构成的直接使用碳燃料的SOFC电源，可以根据需要，在很宽的范围内设计其使用寿命，而且利用尾气残留的CO燃烧产生的热量提供电池反应需要的热量，使能量得到充分的利用。

本发明的目的通过如下技术方案实现：