[实用新型]一种电池堆

说明书

技术领域

本实用新型涉及直接碳燃料电池技术领域，特别涉及一种电池堆。

背景技术

能源是国民经济的支柱，是人类社会发展所必需的推动力。我国是世界上少数以煤为主要能源的国家，约占一次能源总量的70％以上，且在未来相当长的一段时期内，我国以煤炭为主的能源现状难以改变。与发达国家相比，我国燃煤发电利用效率较低，能源浪费和环境污染状况严重。因此，探索清洁、高效的煤炭利用方式势在必行。

燃料电池能够将燃料中的化学能直接转化为电能，具有能量转换效率高、洁净无污染、噪声低、模块结构性强等优点，有望成为未来能源供应系统的重要组成部分。与常规燃料电池不同，固体氧化物直接碳燃料电池(Solid OxideDirect Carbon Fuel Cell，SO-DCFC)采用固体碳作为燃料，将其中的化学能直接转化为电能，其独特优势在于：理论效率更高，1000℃时理论效率接近100％；反应物和产物分别以固、气两相存在，理论电压不变时燃料利用率仍可达100％；从世界范围来看，煤炭资源储量丰富，价格便宜，而固体碳燃料有望通过对煤炭、生物质等进行简单加工处理得到，燃料来源广泛；固体碳燃料体积小、热值高，运输与储藏方便；高温下电解质为固态，避免了液体电解质的腐蚀与泄露；碳燃料直接转化为二氧化碳，路径单一，有利于二氧化碳的富集与减排。因此，如果固体氧化物直接碳燃料电池能够实现以煤为燃料的商业化应用，将革命性地改变传统能源利用方式，实现传统化石能源利用和燃料电池技术的完美结合，有力缓解我国油气资源紧张现状，提高能源利用效率，减轻CO₂减排压力。

固体氧化物直接碳燃料电池的研究始于20世纪60年代，近年来逐渐增多，主要集中在美、日两国，研究重点是原型电池设计、电池反应机理和反应特性的研究。1965年，Zahradnik等人最早提出将煤气化单元和高温固体氧化物燃料电池相结合的系统。1988年，Nakagawa等人将木炭置于固体氧化物燃料电池阳极腔体中，验证了这一过程。1992年，Gür等人将碳燃料与电池阳极彼此分离，通过碳燃料和电池独立控温，测得不同温度下电池极化曲线。2003年，Chuang等人在单电池实验中采用固体氧化物电解质，将碳燃料颗粒放置于阳极表面，获得良好性能。2004年，Ihara等人提出以CH4在电池阳极裂解积炭作为燃料的直接碳燃料电池。2007年，Li等人提出流化床直接碳燃料电池设计，使碳燃料颗粒保持流化状态，加强阳极腔体中化学反应和传质过程。2009年，王绍荣等人在传统阳极支撑型管式固体氧化物燃料电池中装满商业炭黑，制备了一种直接碳燃料电池。

受电池材料与技术发展限制，目前国内外固体氧化物直接碳燃料电池研究多停留在单电池设计和实验研究阶段，燃料电池堆设计较少。同时，与传统使用气体燃料的燃料电池不同，直接碳燃料电池在实际应用过程中面临着固体碳燃料的连续给料问题，给燃料电池堆的设计带来进一步困难。

固体氧化物燃料电池根据几何结构的不同常分为管式和平板式两种类型。其中，管式电池易于分割阴阳极腔体、密封简单，可通过对气体燃料电池堆结构的简单改造而得到直接碳燃料电池堆，因此，已有直接碳燃料电池堆设计思路中多采用管式固体氧化物燃料电池。而使用气体燃料的平板式燃料电池堆中阴、阳极腔体结构复杂、流道冗长，无法满足固体燃料的给料需求，目前相关报道较少。但是，与管式燃料电池相比，平板式燃料电池技术相对成熟，国内外相关研究最为广泛。因此，平板式固体氧化物直接碳燃料电池堆的设计对该技术发展就有重要意义。

其次，在直接碳燃料电池堆结构设计中，期望进一步改善阳极碳燃料传质过程、增大碳燃料反应速率，以进一步提高电池堆的性能，这一点可通过借鉴化工领域中较为成熟的鼓泡床技术实现。鼓泡床技术是在反应器底部安装布风板，当气体以一定速度流过布风板时，布风板上固体颗粒床料进入流化状态，气体以鼓泡方式通过床料，床料剧烈运动，可加速反应发生和传热传质过程。由于鼓泡床的独特优点，使得该技术在化工领域得到广泛应用。

最后，直接碳燃料电池堆中平板式电池单体的布置结构是决定电池堆性能的关键，直接影响到电池堆体积、气体及固体碳燃料的传热传质等。直接碳燃料电池堆应当布局合理、结构紧凑，提高单位体积内平板式单体电池个数，以进一步提高燃料电池堆的体积功率密度，扩大其应用范围。

发明内容