[发明专利]一种直接碳固体氧化物燃料电池堆

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池系统集成及应用领域，具体是一种直接碳固体氧化物燃料电池堆。

背景技术

燃料电池是一种新型能源技术，具有高效、清洁、安全可靠等特征。固体氧化物燃料电池(SOFC)除了具有一般燃料电池的共同优点外，其效率更高，且为全固态结构，具有便于监管、长期稳定性好的特点。SOFC模块化的设计还使其可以满足从小型便携式电源到大型发电设备的各种应用需求。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。在各种燃料中煤炭和生物质碳来源广泛，易得而成本低，是极具魅力的一种燃料。煤炭现阶段大量用于火力发电，但是传统的火力发电技术效率较低，大量排放温室气体和酸性气体，对环境造成了极大的污染。生物质能目前由于收集成本高，在目前中国农村还未引起重视，甚至在田间地头直接燃烧废弃，造成空气污染和能源浪费。因此，将煤炭和生物质碳用于SOFC发电是科学家多年的梦想，也是今后技术发展的大势所趋。由于固体碳不易扩散到SOFC的三相界面，因此直接使用时功率密度低，从而需要将其重整为气体，以便于燃料分子的扩散。固体碳在重整过程中需要吸收热量，以便于利用水蒸汽实现碳的气化重整。水蒸气重整的速度相对容易控制，且能量效率较高。另一方面，SOFC在发电的过程中会释放大量的废热，其一方面来源于反应过程中的熵变化，另一方面来源于放电过程中的阻抗和极化等不可逆损耗，第三方面来源于发电尾气中的残余燃料。SOFC的废热如果直接排掉则会造成极大的浪费。热电联供方式虽然是解决问题的一种办法，但是其市场规模相对较小，且多为分散式应用。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明提供一种直接碳固体氧化物燃料电池堆，将SOFC的冗余热能供给和碳燃料气化的热量需求结合起来，大大提高系统的发电效率。

本发明是以如下技术方案实现的：一种直接碳固体氧化物燃料电池堆，包括保温炉，保温炉内设有气体重整腔，气体重整腔内放置有碳粉，气体重整腔的两端分别安装碳粉载料装置和碳粉卸料装置，气体重整腔的上方设有高温脱硫器，气体重整腔的底端连接一空气进气管，空气进气管上连接一蒸汽进气管，在气体重整腔的两侧安装有多个阳极支撑管式固体氧化物燃料电池，在气体重整腔的一侧安装有电池工作进气管；阳极支撑管式固体氧化物燃料电池的燃料进气管与高温脱硫器连接，气体经脱硫后进入燃料进气管，蒸汽进气管和电池工作进气管的上端均设有保温层，保温炉上安装一用于检测电池工作温度的热电偶。

本发明的有益效果是：

1、将碳气化反应与SOFC发电集成在一起，从而使SOFC的废热得到有效的利用，能够帮助碳和水蒸气进行重整反应，实现了SOFC发电堆与碳气化炉的联动，能量转化效率极高。

2、相对于低温脱硫而言，利用高温脱硫技术，避免了脱硫过程的能量消耗以及脱硫后升温的过程，系统效率高。

3、系统紧凑，制造成本低。

4、SOFC电堆采用管式结构，尾气在一端直接燃烧利用，避免了尾气燃烧器的空间和设备成本，同时提高了其能量效率。

5、SOFC管式电池之间容易实现自由的串并联，对于电堆的功率没有限制；

6、由于各个电池相对独立，在空气中连接，因此便于检修，当某个电池出现故障时可以非常方便地更换，系统寿命长而且便于维护。

7、高温脱硫器容易更换、再生；当配置多个高温脱硫器后，系统可实现连续运行。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

   图1是本发明俯视结构示意图；

  图2是本发明主视结构示意图；

图3是碳粉载料装置结构示意图；

图4是灰粉卸载装置结构示意图；

   图5是阳极支撑管式固体氧化物燃料电池结构示意图。

如图1和图2所示，一种直接碳固体氧化物燃料电池堆有一保温炉5，保温炉5内设有气体重整腔2，气体重整腔2内放置有碳粉4，气体重整腔2的两端分别安装碳粉载料装置11和灰粉卸载装置12，气体重整腔2的上方设有高温脱硫器1，气体重整腔2的底端连接一空气进气管8，空气进气管8上连接一蒸汽进气管9，在气体重整腔2的两侧安装有多个阳极支撑管式固体氧化物燃料电池7，在气体重整腔2的一侧安装有电池工作进气管3；阳极支撑管式固体氧化物燃料电池7的燃料进气管与高温脱硫器1连接，气体经脱硫后进入燃料进气管，蒸汽进气管9和电池工作进气管3的上端均设有保温层10，保温炉5上安装一用于检测电池工作温度的热电偶6。