專利名稱：一種埋管式鼓泡床直接炭燃料電池的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種埋管式鼓泡床直接炭燃料電池，屬于直接炭燃料電池裝置技術領域。
背景技術：
目前，燃料電池技術以其顯著優(yōu)點成為國內外研究熱點之一。直接炭燃料電池(DirectCarbon Fuel Cell，DCFC)也是燃料電池的一種，與使用氣體或液體燃料的電池不同，DCFC以固體炭作為燃料，其獨特優(yōu)勢在于電池理論效率更高；使用固體炭燃料，省去氣化環(huán)節(jié)，同時固體炭燃料體積小、熱值高，運輸與儲藏方便，不易發(fā)生泄漏、爆炸，降低對電池密封、特別是高溫密封的要求；固體炭燃料有望通過對儲量豐富的煤炭進行簡單加工處理而得到，燃料獲得比氫氣制備更為容易和廣泛。
早在19世紀末，人們就嘗試通過煤的直接電化學氧化來發(fā)電。1896年，法國人WilliamJacques研制了世界上第一個直接炭燃料電池。近年來，隨著材料科學和燃料電池技術的發(fā)展，已經開發(fā)出使用多種電解質材料的直接炭燃料電池。電解質是電池的核心部件，不同電解質材料能夠傳導的導電離子可能不同，進而反應機理也不同，常見的電解質是熔融氫氧化物、熔融炭酸鹽和固體氧化物電解質。本專利申請主要針對固體氧化物電解質直接炭燃料電池。已有研究表明固體氧化物電解質直接炭燃料電池內部可能同時發(fā)生兩種不同機理的化學反應——固體炭燃料與陽極直接接觸時發(fā)生的固-固(陽極-炭燃料)電化學反應和非接觸時發(fā)生的固-氣-固(陽極-CO2/CO-炭燃料)電化學反應。
1965年，Zahradnik將煤氣化單元和高溫SOFC相結合，建立了固體氧化物電解質的直接炭燃料電池。1988年日本的Nakagawa和Ishida更加深入地研究了該過程。美國Akron大學Chuang等人在單電池實驗中采用固定床反應器，將固體炭粒放在電極表面，進行反應。美國Stanford大學Gur等人也開展了對固體氧化物為電解質直接炭燃料電池的研究。與Akron大學不同，Gur的研究中炭并不與電池陽極直接接觸，并提出結合流化床裝置可以加快反應器內的傳熱傳質過程，改進電池性能。
目前國際上的固體氧化物電解質直接炭燃料電池研究多停留在單電池實驗階段，實際應用還中面臨著陽極表面固體炭燃料的給料問題，尤其是當反應一段時間之后，陽極表面直接接觸的固體炭燃料已經完全反應情況下的連續(xù)給料問題。同時，固定床結構直接炭燃料電池不利于炭與陽極非接觸機理反應的發(fā)生，也不利于內部傳熱傳質，美國Stanford大學提出的循環(huán)流化床直接炭燃料電池能夠在一定程度上解決給料問題，也有利于炭與陽極非接觸機理反應的發(fā)生，但是該設計不利于炭與陽極直接接觸式機理反應的發(fā)生，同時結構復雜，對電池磨損較大。現(xiàn)有研究同時也面臨著如何改善陽極炭燃料傳質、增大炭燃料與陽極反應速率、提高電池性能的問題。
在熱能工程領域，鼓泡床技術發(fā)展較為成熟。在一柱形容器下部安裝一塊篩板，成為布風板，在布風板上面堆積一層固體顆粒床料，當氣體以一定速度通過布風板時，床料進入流化狀態(tài)，氣體以鼓泡方式通過床料，固體顆粒床料發(fā)生劇烈的運動，能夠加速反應當發(fā)生和傳熱傳質過程，這就是鼓泡床技術。這里布風板起了支撐床料、分布氣體、穩(wěn)定流化狀態(tài)度作用。由于鼓泡床的獨特優(yōu)點，使得該技術在很多化學反應器中得到廣泛應用。
目前固體氧化物電解質燃料電池根據幾何結構的不同常分為管式、板式和瓦楞式三種。管式固體氧化物燃料電池單體通常由管內側的陰極、外側的陽極和位于二者之間的電解質構成。近年來，管式固體氧化物燃料電池發(fā)展較為成熟，2004年，Siemens Westinghouse公司已經生產出330kW的管式固體氧化物燃料電池電站系統(tǒng)。
本申請擬將管式固體氧化物燃料電池埋于鼓泡床固體炭顆粒床料中，形成埋管式結構。埋管式結構在換熱裝置和反應器中有廣泛的應用，可以顯著提高管表面的接觸，進而促進反應當發(fā)生。

發(fā)明內容
本發(fā)明申請旨在設計一種新型固體氧化物電解質直接炭燃料電池，解決陽極表面固體炭燃料的連續(xù)給料問題，加強電池內部傳熱傳質過程，促進電池內部炭燃料與陽極接觸式和非接觸式機理反應的共同發(fā)生，同時要求設備簡單、易于實現(xiàn)，減小對電池摩擦，適宜電池密封和集流，便于組成大規(guī)模的電池組。
一種埋管式鼓泡床直接炭燃料電池，它包括鼓泡床、管式固體氧化物燃料電池單體、布風板、固體炭燃料和送風裝置；布風板安裝在鼓泡床底部，管式固體氧化物燃料電池單體水平方向插入鼓泡床內，對鼓泡床和電池單體結合處進行密封；將固體炭燃料鋪在鼓泡床內布風板上，使管式固體氧化物電解質燃料電池埋于固體炭燃料內，形成埋管式結構，所述固體炭燃料為粉末狀石墨、炭黑、焦炭或煤的任意一種；用送風裝置將載氣通過布風板送入鼓泡床內，吹動固體炭燃料顆粒，使鼓泡床內的固體炭燃料處于鼓泡流態(tài)化狀態(tài)，所述載氣為CO2、H2O和N2按一定比例混合而成，其中H2O占0％～30％，CO2占0％～100％，N2占0％～100％；鼓泡床工作溫度700℃～1000℃時，通過布風板的載氣吹動固體炭燃料顆粒，使其處于鼓泡流態(tài)化狀態(tài)。其中載氣由CO2、H2O和N2按一定比例混合而成，其中H2O占0％～30％，CO2占0％～100％，N2占0％～100％，固體炭燃料為粉末狀石墨、炭黑、焦炭或煤的任意一種。此時，鼓泡床內部、管式固體氧化物燃料電池單體外側發(fā)生氣化反應，形成一定陽極氣氛，其中含有固體炭顆粒、一氧化碳、氫氣等燃料，同時鼓泡流態(tài)化也強化了固體炭燃料顆粒與電池單體陽極的接觸和氣體的傳質過程。向管式固體氧化物燃料電池內部通入空氣或氧氣，形成陰極氣氛。當燃料電池接有外部負載時，陰極(管內側)氧氣從外部電路得到電子生成O2-，O2-在濃度差驅動力下穿過電解質層到達陽極，在陽極與固體炭顆粒、一氧化碳、氫氣等燃料發(fā)生電化學反應，同時向外電路放出電子，構成完整的電路，該埋管式直接炭燃料電池在其中起電源作用，其中管內側為正極，管外側為負極。反應完的陽極氣體從鼓泡床頂部排出，也可以回收，循環(huán)利用。
由于使用了鼓泡床，床內粉狀固體炭燃料始終處于鼓泡流態(tài)化，與燃料電池陽極直接接觸的炭燃料在反應完全后可以很快被移走，始終有未反應的固體碳燃料與陽極表面接觸，防治反應后的灰分阻礙反應的持續(xù)發(fā)生，解決了陽極表面固體燃料的連續(xù)給料問題；同時鼓泡流態(tài)化大大加強了床內的傳熱傳質過程，有利于提高反應速率，尤其是氣固反應速率；同時鼓泡流態(tài)化與其他流態(tài)化相比所需流化氣體速度最低，載氣供應少，對電池摩擦較??；埋管式結構利于通過加大鼓泡床尺寸、增多單體電池數(shù)量組成大規(guī)模的電池堆。
與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明申請具有以下優(yōu)點1、埋管式鼓泡床結構能夠更好地解決固體燃料的給料問題，同時設備簡單，容易實現(xiàn)；2、埋管式結構能增大固體炭燃料與陽極表面的接觸，促進固體炭燃料與陽極直接接觸時固-固(陽極-炭燃料)電化學反應的發(fā)生；3、鼓泡式結構能加強內部氣體對流傳質和系統(tǒng)內部換熱，促進固體炭燃料與陽極非接觸時固-氣-固(陽極-CO2/CO-炭燃料)反應的發(fā)生；4、與噴動床、流化床相比所需載氣少，對電池摩擦小；5、管式單電池易于密封、集流方便，便于組成大規(guī)模的電池堆。


圖1是本發(fā)明結構示意圖。
圖2是實施例1順排埋管式鼓泡床結構示意圖。
圖3是實施例2叉排埋管式鼓泡床結構示意圖。
圖4是實施例3通管單電池交錯流埋管式鼓泡床結構示意圖。
圖5是實施例4通管單電池順流埋管式鼓泡床結構示意圖。
圖6是實施例5通管單電池逆流埋管式鼓泡床結構示意圖。
圖7是盲管式單電池結構示意圖。
圖8是盲管式單電池與爐體封接口結構示意圖。
圖9是通管式單電池與爐體封接口結構示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖具體說明本發(fā)明。
圖1是本發(fā)明結構示意圖。其中，1陰極氣體，2管式固體氧化物燃料電池單體內側(陰極)，3管式固體氧化物燃料電池單體外側(陽極)，4固體炭燃料，5鼓泡床，6陽極氣體，7送風裝置送入的氣體在鼓泡床中的氣泡，8管式固體氧化物燃料電池單體，9布風板，10高溫陶瓷膠密封，11載氣，12循環(huán)利用，13導管，14電解質層，15送風裝置。一種埋管式鼓泡床直接炭燃料電池，該燃料電池包括鼓泡床5、管式固體氧化物燃料電池單體8、布風板9、固體炭燃料4和送風裝置15；布風板9安裝在鼓泡床5底部；管式固體氧化物燃料電池單體8水平方向插在鼓泡床5內；鼓泡床5和所述電池單體8結合處密封；固體炭燃料4鋪在鼓泡床5內布風板9上，使管式固體氧化物電解質燃料電池8埋于固體炭燃料4內，形成埋管式結構；送風裝置15將載氣11通過布風板9送入鼓泡床5內，吹動固體炭燃料4顆粒，7是送風裝置送入的氣體在鼓泡床中的氣泡示意；鼓泡床5工作溫度700℃～1000℃；所述載氣為CO2、H2O和N2按比例混合而成，其中H2O占0％～30％，CO2占0％～100％，N2占0％～100％；所述固體炭燃料為粉末狀石墨、炭黑、焦炭或煤的任意一種；所述管式固體氧化物燃料電池管內部通入空氣或氧氣(陰極氣體)；管式固體氧化物燃料電池管內側為輸出正極，管外側為輸出負極；反應完的陽極氣體6從鼓泡床頂部排出，可回收可循環(huán)利用。
實施例1一種埋管式鼓泡床直接炭燃料電池，它包括鼓泡床5，16根外側為陽極、內側為陰極的盲管式固體氧化物燃料電池單體8，布風板9，直徑在5mm～50μm的粉狀固體炭燃料——石墨4和送風裝置15；如圖2所示，圖2是實施例1順排埋管式鼓泡床結構示意圖。布風板9安裝于鼓泡床5底部，16根盲管式固體氧化物燃料電池單體8沿水平方向插入鼓泡床5內，盲管式固體氧化物燃料電池單體8開口端位于鼓泡床5外部，封閉端位于鼓泡床5內部，并對鼓泡床5和固體氧化物燃料電池單體8結合處用高溫陶瓷膠10進行密封，接口結構如圖8所示。實施例1固體氧化物燃料電池單體8采用順排方式逐層排布。將粉末狀石墨4鋪在鼓泡床5內布風板9上，使16根盲管式固體氧化物燃料電池單體8埋于粉末狀石墨4中，形成埋管式結構。用送風裝置15將載氣11通過布風板9送入鼓泡床5內，吹動石墨4顆粒，使鼓泡床5內的石墨4處于鼓泡流態(tài)化狀態(tài)。
該埋管式直接炭燃料電池的工作原理和工作過程為當鼓泡床5工作在1000℃時，用送風裝置15將載氣11通過布風板9送入鼓泡床5內，分散成氣泡7，吹動石墨4顆粒，使鼓泡床5內的石墨4處于鼓泡流態(tài)化狀態(tài)。其中載氣采用物質的量分數(shù)為85％CO2、15％H2O的混合氣體，此時，鼓泡床5內部、管式固體氧化物燃料電池單體8外側發(fā)生氣化反應，形成一定陽極氣氛，其中含有石墨4顆粒、一氧化碳等燃料。鼓泡流態(tài)化強化了石墨4顆粒與固體氧化物燃料電池單體8陽極3的接觸和氣體的傳質過程，同時加速了石墨4顆粒與陽極3直接接觸時發(fā)生的固-固(陽極-石墨)電化學反應和非接觸時發(fā)生的固-氣-固(陽極-CO2/CO-石墨)電化學反應的發(fā)生。對于盲管式固體氧化物燃料電池單體8叉排結構，陰極氣體1從盲管式固體氧化物燃料電池單體8開口端通過導管13進入固體氧化物燃料電池單體8內部，到封閉端再折回從開口端流出，如圖7所示。當該直接炭燃料電池接有外部負載時，陰極2(管內側)氧氣從外部電路得到電子生成O2-，O2-在濃度差驅動力下穿過電解質層14到達陽極3，在陽極3與石墨4顆粒、一氧化碳等燃料發(fā)生電化學反應，同時向外電路放出電子，構成完整的電路，該埋管式直接炭燃料電池在其中起電源作用。反應后的陽極氣體6從鼓泡床頂部排出。
本實施例能夠保證單根管式固體氧化物燃料電池單體電壓開路電壓在0.8V以上。
實施例2一種埋管式鼓泡床直接炭燃料電池，它包括鼓泡床5，14根外側為陽極、內側為陰極的盲管式固體氧化物燃料電池單體8，布風板9，直徑在5mm～50μm的粉狀固體炭燃料——焦炭4和送風裝置15。
如圖3所示，圖3是實施例2叉排埋管式鼓泡床結構示意圖。將布風板9安裝于鼓泡床5底部，將14根盲管式固體氧化物燃料電池單體8沿水平方向插入鼓泡床5內，盲管式固體氧化物燃料電池單體8開口端位于鼓泡床5外部，封閉端位于鼓泡床5內部，并對鼓泡床5和固體氧化物燃料電池單體8結合處用高溫陶瓷膠10進行密封，接口結構如圖8所示。實施例2固體氧化物燃料電池單體8采用叉排方式逐層排布。將粉末狀焦炭4鋪在鼓泡床5內布風板9上，使14根盲管式固體氧化物燃料電池單體8埋于粉末狀焦炭4中，形成埋管式結構。用送風裝置15將載氣11通過布風板9送入鼓泡床5內，吹動焦炭4顆粒，使鼓泡床5內的焦炭4處于鼓泡流態(tài)化狀態(tài)。
該埋管式直接炭燃料電池的工作原理和工作過程為當鼓泡床5工作在700℃時，用送風裝置15將載氣11通過布風板9送入鼓泡床5內，分散成氣泡7，吹動石墨4顆粒，使鼓泡床5內的石墨4處于鼓泡流態(tài)化狀態(tài)。其中載氣采用純CO2氣體，此時，鼓泡床5內部、管式固體氧化物燃料電池單體8外側發(fā)生氣化反應，形成一定陽極氣氛，其中含有焦炭4顆粒、一氧化碳、氫氣等燃料。鼓泡流態(tài)化強化了焦炭4顆粒與固體氧化物燃料電池單體8陽極3的接觸和氣體的傳質過程，同時加速了焦炭4顆粒與陽極3直接接觸時發(fā)生的固-固(陽極-焦炭)電化學反應和非接觸時發(fā)生的固-氣-固(陽極-CO2/CO/H2O/H2-焦炭)電化學反應的發(fā)生。對于盲管式固體氧化物燃料電池單體8叉排結構，陰極氣體1從盲管式固體氧化物燃料電池單體8開口端通過導管13進入固體氧化物燃料電池單體8內部，到封閉端再折回從開口端流出，如圖7所示。當該直接炭燃料電池接有外部負載時，陰極2(管內側)氧氣從外部電路得到電子生成O2-，O2-在濃度差驅動力下穿過電解質層14到達陽極3，在陽極3與焦炭4顆粒、一氧化碳、氫氣等燃料發(fā)生電化學反應，同時向外電路放出電子，構成完整的電路，該埋管式直接炭燃料電池在其中起電源作用。反應后的陽極氣體6從鼓泡床頂部排出。
本實施例能夠保證單根管式固體氧化物燃料電池單體電壓開路電壓在0.8V以上。
實施例3一種埋管式鼓泡床直接炭燃料電池，它包括鼓泡床5，16根外側為陽極、內側為陰極的通管式固體氧化物燃料電池單體8，布風板9，直徑在5mm～50μm的粉狀固體炭燃料——炭黑4和送風裝置15。
如圖4所示，將布風板9安裝于鼓泡床5底部，將16根通管式固體氧化物燃料電池單體8沿水平方向插入鼓泡床5內，通管式固體氧化物燃料電池單體8兩側開口端均位于鼓泡床5外部，并對鼓泡床5和固體氧化物燃料電池單體8結合處用高溫陶瓷膠10進行密封，管兩側接口結構如圖9所示。實施例3固體氧化物燃料電池單體8采用交錯排方式逐層排布。將粉末狀炭黑4鋪在鼓泡床5內布風板9上，使16根通管式固體氧化物燃料電池單體8埋于粉末狀炭黑4中，形成埋管式結構。用送風裝置15將載氣11通過布風板9送入鼓泡床5內，吹動炭黑4顆粒，使鼓泡床5內的炭黑4處于鼓泡流態(tài)化狀態(tài)。
該埋管式直接炭燃料電池的工作原理和工作過程為當鼓泡床5工作在850℃時，用送風裝置15將載氣11通過布風板9送入鼓泡床5內，分散成氣泡7，吹動石墨4顆粒，使鼓泡床5內的石墨4處于鼓泡流態(tài)化狀態(tài)。其中載氣采用純N2氣體，此時，鼓泡床5內部、管式固體氧化物燃料電池單體8外側發(fā)生氣化反應，形成一定陽極氣氛，其中含有炭黑4顆粒、一氧化碳等燃料。鼓泡流態(tài)化強化了炭黑4顆粒與固體氧化物燃料電池單體8陽極3的接觸和氣體的傳質過程，同時加速了炭黑4顆粒與陽極3直接接觸時發(fā)生的固-固(陽極-炭黑)電化學反應和非接觸時發(fā)生的固-氣-固(陽極-CO2/CO-炭黑)電化學反應的發(fā)生。對于通管式固體氧化物燃料電池單體8交錯排結構，陰極氣體1從每一排通管的一端流入，另一端流出，使得每層固體氧化物燃料電池單體8內部陰極氣體1流向相同，不同層固體氧化物燃料電池單體8內部陰極氣體1流向彼此交叉，如圖4所示。當該直接炭燃料電池接有外部負載時，陰極2(管內側)氧氣從外部電路得到電子生成O2-，O2-在濃度差驅動力下穿過電解質層14到達陽極3，在陽極3與石墨4顆粒、一氧化碳等燃料發(fā)生電化學反應，同時向外電路放出電子，構成完整的電路，該埋管式直接炭燃料電池在其中起電源作用。反應后的陽極氣體6從鼓泡床頂部排出。
本實施例能夠保證單根管式固體氧化物燃料電池單體電壓開路電壓在0.8V以上。
實施例4一種埋管式鼓泡床直接炭燃料電池，它包括鼓泡床5，16根外側為陽極、內側為陰極的通管式固體氧化物燃料電池單體8，布風板9，直徑在5mm～50μm的粉狀固體炭燃料——煤4和送風裝置15。
如圖5所示，將布風板9安裝于鼓泡床5底部，將16根通管式固體氧化物燃料電池單體8沿水平方向插入鼓泡床5內，通管式固體氧化物燃料電池單體8兩側開口端均位于鼓泡床5外部，并對鼓泡床5和固體氧化物燃料電池單體8結合處用高溫陶瓷膠10進行密封，管兩側接口結構如圖9所示。實施例4固體氧化物燃料電池單體8采用順排方式逐層排布。將粉末狀煤4鋪在鼓泡床5內布風板9上，使16根通管式固體氧化物燃料電池單體8埋于粉末狀煤4中，形成埋管式結構。用送風裝置15將載氣11通過布風板9送入鼓泡床5內，吹動煤4顆粒，使鼓泡床5內的煤4處于鼓泡流態(tài)化狀態(tài)。
該埋管式直接炭燃料電池的工作原理和工作過程為當鼓泡床5工作在800℃時，用送風裝置15將載氣11通過布風板9送入鼓泡床5內，分散成氣泡7，吹動石墨4顆粒，使鼓泡床5內的石墨4處于鼓泡流態(tài)化狀態(tài)。其中載氣采用物質的量分數(shù)為30％CO2、10％H2O、60％N2的混合氣體，此時，鼓泡床5內部、管式固體氧化物燃料電池單體8外側發(fā)生氣化反應，形成一定陽極氣氛，其中含有煤4顆粒、一氧化碳、氫氣等燃料。鼓泡流態(tài)化強化了煤4顆粒與固體氧化物燃料電池單體8陽極3的接觸和氣體的傳質過程，同時加速了煤4顆粒與陽極3直接接觸時發(fā)生的固-固(陽極-煤)電化學反應和非接觸時發(fā)生的固-氣-固(陽極-CO2/CO/H2O/H2-煤)電化學反應的發(fā)生。對于通管式固體氧化物燃料電池單體8順排結構，陰極氣體1采用順流方式，從通管的一端流入，另一端流出，使得每根固體氧化物燃料電池單體8內部陰極氣體1流向相同，如圖5所示。當該直接炭燃料電池接有外部負載時，陰極2(管內側)氧氣從外部電路得到電子生成O2-，O2-在濃度差驅動力下穿過電解質層14到達陽極3，在陽極3與煤4顆粒、一氧化碳、氫氣等燃料發(fā)生電化學反應，同時向外電路放出電子，構成完整的電路，該埋管式直接炭燃料電池在其中起電源作用。反應后的陽極氣體6從鼓泡床頂部排出。
本實施例能夠保證單根管式固體氧化物燃料電池單體電壓開路電壓在0.8V以上。
實施例5一種埋管式鼓泡床直接炭燃料電池，它包括鼓泡床5，16根外側為陽極、內側為陰極的通管式固體氧化物燃料電池單體8，布風板9，直徑在5mm～50μm的粉狀固體炭燃料——煤4和送風裝置15。
如圖5所示，將布風板9安裝于鼓泡床5底部，將16根通管式固體氧化物燃料電池單體8沿水平方向插入鼓泡床5內，通管式固體氧化物燃料電池單體8兩側開口端均位于鼓泡床5外部，并對鼓泡床5和固體氧化物燃料電池單體8結合處用高溫陶瓷膠10進行密封，管兩側接口結構如圖9所示。實施例5固體氧化物燃料電池單體8采用順排方式逐層排布。將粉術狀煤4鋪在鼓泡床5內布風板9上，使16根通管式固體氧化物燃料電池單體8埋于粉末狀煤4中，形成埋管式結構。用送風裝置15將載氣11通過布風板9送入鼓泡床5內，吹動煤4顆粒，使鼓泡床5內的煤4處于鼓泡流態(tài)化狀態(tài)。
該埋管式直接炭燃料電池的工作原理和工作過程為當鼓泡床5工作在900℃時，用送風裝置15將載氣11通過布風板9送入鼓泡床5內，分散成氣泡7，吹動石墨4顆粒，使鼓泡床5內的石墨4處于鼓泡流態(tài)化狀態(tài)。其中載氣采用物質的量分數(shù)為30％CO2、10％H2O、60％N2的混合氣體，此時，鼓泡床5內部、管式固體氧化物燃料電池單體8外側發(fā)生氣化反應，形成一定陽極氣氛，其中含有煤4顆粒、一氧化碳、氫氣等燃料。鼓泡流態(tài)化強化了煤4顆粒與固體氧化物燃料電池單體8陽極3的接觸和氣體的傳質過程，同時加速了煤4顆粒與陽極3直接接觸時發(fā)生的固-固(陽極-煤)電化學反應和非接觸時發(fā)生的固-氣-固(陽極-CO2/CO/H2O/H2-煤)電化學反應的發(fā)生。對于通管式固體氧化物燃料電池單體8順排結構，陰極氣體1采用逆流方式，從通管的一端流入，另一端流出，使得每層固體氧化物燃料電池單體8內部陰極氣體1流向相同，不同層固體氧化物燃料電池單體8內部陰極氣體1流向相反，如圖6所示。當該直接炭燃料電池接有外部負載時，陰極2(管內側)氧氣從外部電路得到電子生成O2-，O2-在濃度差驅動力下穿過電解質層14到達陽極3，在陽極3與煤4顆粒、一氧化碳、氫氣等燃料發(fā)生電化學反應，同時向外電路放出電子，構成完整的電路，該埋管式直接炭燃料電池在其中起電源作用。反應后的陽極氣體6從鼓泡床頂部排出。
本實施例能夠保證單根管式固體氧化物燃料電池單體電壓開路電壓在0.8V以上。
權利要求
1.一種埋管式鼓泡床直接炭燃料電池，其特征在于，該燃料電池包括鼓泡床、管式固體氧化物燃料電池單體、布風板、固體炭燃料和送風裝置；布風板安裝在鼓泡床底部；管式固體氧化物燃料電池單體水平方向插在鼓泡床內；鼓泡床和所述電池單體結合處密封；固體炭燃料鋪在鼓泡床內布風板上，使管式固體氧化物電解質燃料電池埋于固體炭燃料內，形成埋管式結構；送風裝置將載氣通過布風板送入鼓泡床內，吹動固體炭燃料顆粒；鼓泡床工作溫度700℃～1000℃；所述載氣為CO2、H2O和N2按摩爾比例混合而成，其中H2O占0％～30％，CO2占0％～100％，N2占0％～100％；所述固體炭燃料為粉末狀石墨、炭黑、焦炭或煤的任意一種；所述管式固體氧化物燃料電池管內部通入空氣或氧氣；管式固體氧化物燃料電池管內側為輸出正極，管外側為輸出負極；反應完的陽極氣體從鼓泡床頂部排出。
2.根據權利要求1所述的一種埋管式鼓泡床直接炭燃料電池，其特征在于，所述管式固體氧化物燃料電池單體為外側為陽極、內側為陰極的盲管式固體氧化物燃料電池單體，該盲管式固體氧化物燃料電池單體水平插入鼓泡床內，盲管式固體氧化物燃料電池單體開口端位于鼓泡床外部，封閉端位于鼓泡床內部；多個盲管式固體氧化物燃料電池單體順排。
3.根據權利要求1所述的一種埋管式鼓泡床直接炭燃料電池，其特征在于，所述管式固體氧化物燃料電池單體為外側為陽極、內側為陰極的盲管式固體氧化物燃料電池單體，該盲管式固體氧化物燃料電池單體水平插入鼓泡床內，盲管式固體氧化物燃料電池單體開口端位于鼓泡床外部，封閉端位于鼓泡床內部；多個盲管式固體氧化物燃料電池單體叉排。
4.根據權利要求1所述的一種埋管式鼓泡床直接炭燃料電池，其特征在于，所述管式固體氧化物燃料電池單體為外側為陽極、內側為陰極的通管式固體氧化物燃料電池單體；該通管式固體氧化物燃料電池單體沿水平方向插入鼓泡床內，通管式固體氧化物燃料電池單體兩側開口端均位于鼓泡床外部；多個盲管式固體氧化物燃料電池單體采用交錯排方式逐層排布。
5.根據權利要求1所述的一種埋管式鼓泡床直接炭燃料電池，其特征在于，所述管式固體氧化物燃料電池單體為外側為陽極、內側為陰極的通管式固體氧化物燃料電池單體；該通管式固體氧化物燃料電池單體沿水平方向插入鼓泡床內，通管式固體氧化物燃料電池單體兩側開口端均位于鼓泡床外部；多個盲管式固體氧化物燃料電池單體采用順排方式逐層排布。
全文摘要
一種埋管式鼓泡床直接炭燃料電池，屬于直接炭燃料電池裝置技術領域，包括鼓泡床、管式固體氧化物燃料電池單體、布風板、固體炭燃料和送風裝置；管式固體氧化物燃料電池單體叉排、順排、交錯排水平方向插在鼓泡床內；鼓泡床和所述電池單體結合處密封；管式固體氧化物電解質燃料電池埋于固體炭燃料內形成埋管式結構；送風裝置將載氣通過布風板送入鼓泡床內吹動固體炭燃料顆粒；鼓泡床工作溫度700℃～1000℃；管式固體氧化物燃料電池管內側為輸出正極，管外側為輸出負極；反應完的陽極氣體從鼓泡床頂部排出。本發(fā)明給料更好，設備簡單；反應更易實現(xiàn)，所需載氣少，對電池摩擦??；易于密封、集流方便，便于組成大規(guī)模的電池堆。
文檔編號H01M8/04GK1988229SQ200610165579
公開日2007年6月27日 申請日期2006年12月22日 優(yōu)先權日2006年12月22日
發(fā)明者蔡寧生, 李晨, 史翊翔 申請人:清華大學