[实用新型]一种分体式直接碳固体氧化物燃料电池装置

说明书

技术领域

本实用新型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，具体涉及一种小型的分体式直接碳固体氧化物燃料电池装置。

背景技术

固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种新型能源技术，具有高效、清洁、安全可靠等特征。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。目前，SOFC普遍采用钇稳定化氧化锆作电解质，管式电解质支撑和阳极支撑的SOFC直接采用碳燃料的工作已经有不少进展。由于SOFC在高温下（600-1000℃）工作，它不仅可以使用氢气作燃料，还可以直接采用碳氢化合物甚至固体碳作燃料。

直接碳固体氧化物燃料电池（DCSOFC）就是直接采用固体碳（比如活性炭，焦炭，煤）作为燃料的电池系统。DCSOFC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，直接碳SOFC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。

可见，DCSOFC除了具有一般燃料电池的共同优点外，还有效率高，燃料广泛，全固态结构等独有的优势。因此直接使用碳氢化合物和碳燃料的SOFC受到越来越多的重视。特别是，CO2分离膜（一种高温CO₂分离膜的制备方法，中国发明专利：ZL201310017357.6）可以使得燃料电池只能有选择地排出产生的CO₂，而把活性的CO封闭在电池内部。这样，既提高了碳燃料的利用率，也保证了使用场所的安全。目前，已有碳-空气电池的报道（中高温碳-空气电池，中国发明专利：201210085404.6）。为了弥补DCSOFC电池单体电压低的缺陷，可以使用单体串联的方式，这些技术目前也有不少报道（一种直接碳固体氧化物燃料电池电源系统，中国发明专利：ZL201110008698.8）。这些技术的应用，极大地促进了DCSOFC的模块化设计，使得DCSOFC可以满足小型便携电源的需求，使燃料电池进入日常生活领域。

由于DCSOFC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℃），必须具有大的热源。现有的DCSOFC主要采用一体化设计，采用电加热或燃气燃烧加热，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DCSOFC的便携性，而且降低了其适用性，导致其在没有外界电源和专用燃气燃烧设备的情况下无法启动并正常工作。

目前，普通家庭都有日常生活的燃气灶具，野外也有便携式燃气灶具。如果能在燃料电池设计中有效地利用这些已有的燃气设施，不仅降低燃料电池的成本，而且扩大燃料电池的使用范围，将推动小型燃料电池作为家庭备用电源和野外电源的使用。

要达到使用已有燃气设施的目的，最有效的方法就是把燃料电池的电池系统和加热系统分离，设计分体式小型燃料电池系统。这种设计不仅降低制造成本，而且使用方便，适应范围广阔，具有良好的市场前景。

发明内容

本实用新型的目的在于降低燃料电池的成本，提高其便携性，充分利用已有的燃气设施，提供一种分体式直接碳固体氧化物燃料电池装置，该装置将燃料电池的电池系统和加热系统分离，具有小型便携、低成本的特点。

本实用新型将燃料电池系统与加热系统分离，把燃气加热设备放在下方，对燃料电池主要反应区域进行有效加热，反应区域放在具有耐高温的保温设备，保证了热量的有效利用。这种方法有效地解决了在无外电源情况下的高强度加热问题，保证了电池反应在高温下的顺利启动和进行。

本实用新型提供的一种分体式直接碳固体氧化物燃料电池装置，由电池系统和加热系统组成；

所述的电池系统包括固体氧化物燃料电池、反应腔、炉膛和保温层；燃料电池设置在反应腔的中央，反应腔设置在炉膛的中央，反应腔上下端各设一通气管；反应腔中部安装有温度热电偶；

所述的加热系统为燃气灶，燃气灶独立设置在反应腔的底部。

所述的反应腔用耐高温的石英管或陶瓷管制成，反应腔上下各设一通气管，使新鲜空气流入和反应尾气排出。