專利名稱：一種直接碳燃料電池反應(yīng)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種直接碳燃料電池反應(yīng)裝置，屬于直接碳燃料電池技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
燃料電池可將儲(chǔ)存在燃料中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，不受卡諾循環(huán)限制，具有能量轉(zhuǎn) 換效率高、潔凈、無(wú)污染、噪聲低、模塊結(jié)構(gòu)性強(qiáng)、比功率高等優(yōu)點(diǎn)，受到世界各國(guó)廣泛的 重視。
其中，直接碳燃料電池(Direct Carbon Fuel Cell, DCFC)與使用氣體或液體燃料的燃料 電池不同，直接碳燃料電池直接以固體碳作為燃料，其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)在于電池理論效率更高； 直接使用固體碳燃料，省去氣化環(huán)節(jié)；固體碳燃料體積小、熱值高，儲(chǔ)藏運(yùn)輸方便；同時(shí)固 體碳燃料有望通過(guò)對(duì)儲(chǔ)量豐富的煤炭進(jìn)行簡(jiǎn)單加工處理而得到，燃料來(lái)源更為廣泛。
直接碳燃料電池因其燃料使用類型而得名。近年來(lái)，隨著材料科學(xué)和燃料電池技術(shù)的發(fā) 展，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出多種電解質(zhì)材料的直接碳燃料電池。電解質(zhì)是電池的核心部件，不同電解質(zhì) 材料能夠傳導(dǎo)的導(dǎo)電離子可能不同，進(jìn)而反應(yīng)機(jī)理也不同，常見(jiàn)的電解質(zhì)是熔融氫氧化物、 熔融碳酸鹽和固體氧化物電解質(zhì)。本專利申請(qǐng)主要針對(duì)固體氧化物電解質(zhì)直接碳燃料電池。 1965年，Zahradnik將煤氣化單元和高溫固體氧化物燃料電池相結(jié)合，建立了固體氧化物電 解質(zhì)的直接碳燃料電池。1988年日本的Nakagawa和Ishida更加深入地研究了該過(guò)程。美國(guó) Akron大學(xué)Chuang等人在單電池實(shí)驗(yàn)中采用固定床反應(yīng)器，將固體碳粒放在電極表面進(jìn)行反 應(yīng)。美國(guó)Stanford大學(xué)Gur等人也開(kāi)展了對(duì)固體氧化物電解質(zhì)直接碳燃料電池的研究。與 Akron大學(xué)不同，Gur的研究中碳并不與電池陽(yáng)極直接接觸。由此可見(jiàn)，該類型直接碳燃料電 池主要由固體碳燃料和固體氧化物燃料電池兩部分組成。本專利申請(qǐng)主要針對(duì)碳燃料與固體 氧化物燃料電池不直接接觸情況。
目前固體氧化物電解質(zhì)直接碳燃料電池技術(shù)尚處于起步階段，其反應(yīng)機(jī)理、運(yùn)行特性、 工作條件、材料體系等有待進(jìn)一步研究。在這種情況下，直接碳燃料電池反應(yīng)裝置中使用紐
扣式固體氧化物燃料電池就顯得更有意義。紐扣式固體氧化物燃料電池一面為陽(yáng)極， 一面為 陰極，電解質(zhì)夾在陰陽(yáng)極之間，它具有實(shí)驗(yàn)測(cè)試相對(duì)簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)可重復(fù)性好、氣體流動(dòng)影響 小等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)直接碳燃料電池工作機(jī)理研究、運(yùn)行特性測(cè)試、材料性能分析以及模擬計(jì)算驗(yàn) 證有著重要的意義，在直接碳燃料電池領(lǐng)域被國(guó)內(nèi)外各研究機(jī)構(gòu)廣泛采用[M. Gur. Direct Electrochemical Conversion of Carbon to Electrical Energy in a High Temperature Fuel Cell. Journal of the Electrochemical Society, 1992， 139: 95-97; Nakagawa, Ishida. Performance of an Internal Direct-Oxidation Carbon Fuel Cell and Its Evaluation by Graphic Exergy Analysis. Ind. Eng. Chem. Res. ， 1988， 27: 1181-1185; M. Ihara， S. Hasegawa. J. Electrochem. Soc. ， 2006， 153 (8) : A1544-A1546.]，目前其測(cè)試裝置多為各研究機(jī)構(gòu)自 行設(shè)計(jì)加工制作。
由于直接碳燃料電池其反應(yīng)過(guò)程復(fù)雜、運(yùn)行條件苛刻，對(duì)反應(yīng)裝置提出極高的要求，主 要包括(1)反應(yīng)裝置需同時(shí)滿足電流集流、氣體輸送、測(cè)溫控溫和密封要求。固體氧化物 燃料電池部件由多孔陽(yáng)極、陰極以及位于兩者之間的致密固體氧化物電解質(zhì)組成。在高溫狀 態(tài)下(600°C-IOO(TC)，多孔陽(yáng)極、陰極具備氣體傳質(zhì)和同時(shí)傳導(dǎo)氧離子、電子的作用，固體 氧化物電解質(zhì)具有傳導(dǎo)氧離子、阻止氣體傳遞的作用。當(dāng)燃料電池工作時(shí)，陰極側(cè)通入空氣， 其中氧氣在多孔陰極中從外部電路得到電子生成氧離子，氧離子穿過(guò)電解質(zhì)層到達(dá)陽(yáng)極。陽(yáng) 極側(cè)H2、 C0等燃料氣體與電解質(zhì)傳遞過(guò)來(lái)的氧離子反應(yīng)生成H20、 C02等產(chǎn)物，同時(shí)釋放出電
子，電子通過(guò)外電路到達(dá)陰極，實(shí)現(xiàn)外電路供電。從反應(yīng)過(guò)程中可以看出，固體氧化物燃料 電池部件工作在高溫狀態(tài)(60(TC-1000°C)，陰、陽(yáng)極氣體需獨(dú)立密封，不串通或泄露，陰、 陽(yáng)極表面的電流需進(jìn)行集流，這是固體氧化物燃料電池運(yùn)行所必須的條件。(2)反應(yīng)裝置需 滿足固體碳燃料反應(yīng)要求。直接碳燃料電池以固體碳為燃料，反應(yīng)裝置需滿足固體碳燃料供 給、放置要求。對(duì)于碳燃料與燃料電池陽(yáng)極不直接接觸的方式，碳燃料首先發(fā)生氣化反應(yīng)， 反應(yīng)后的燃料氣體與紐扣式固體氧化物燃料電池發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。因此，反應(yīng)裝置布局還需 同時(shí)考慮碳燃料與陽(yáng)極氣體的接觸和氣化反應(yīng)需求。(3)反應(yīng)裝置需滿足陽(yáng)極氣體加水要求。 當(dāng)陽(yáng)極氣體中有&0存在時(shí)(高溫下為氣態(tài)水)，碳燃料會(huì)發(fā)生氣化反應(yīng)生成H2和C0，實(shí)驗(yàn)證 明陽(yáng)極氣體中加水可以顯著提高電池性能，而常規(guī)水浴加濕法添加的水量有限，不能滿足要 求。(4)反應(yīng)裝置應(yīng)具備兩段加熱功能。碳燃料氣化與固體氧化物燃料電池反應(yīng)的最佳溫度 可能不同，因此反應(yīng)裝置應(yīng)具備兩段加熱功能。(5)反應(yīng)裝置應(yīng)裝卸方便。反應(yīng)結(jié)束后需更
換紐扣式固體氧化物燃料電池和密封玻璃環(huán)等耗材，此時(shí)在滿足密封要求前提下，反應(yīng)裝置
需裝卸方便。(6)反應(yīng)裝置應(yīng)盡可能減小陰、陽(yáng)極腔體。陰、陽(yáng)極腔體較大時(shí)，對(duì)氣體組分 敏感性較差，測(cè)試時(shí)不能快速的反應(yīng)陰、陽(yáng)極氣體組分變化。(7)反應(yīng)裝置應(yīng)具備水冷功能。 電池運(yùn)行時(shí)，受傳熱與輻射影響，反應(yīng)裝置爐外部分溫度較高，容易燙傷或?qū)е旅芊獠牧鲜?效，而加大裝置長(zhǎng)度雖然可以避免溫度過(guò)高，但同時(shí)會(huì)增大陰、陽(yáng)極腔體體積，因此水冷功 能十分必要。
出于以上原因，直接碳燃料電池反應(yīng)裝置的設(shè)計(jì)制作非常復(fù)雜，很難同時(shí)滿足以上需求， 直接碳燃料電池反應(yīng)裝置的改進(jìn)研發(fā)十分必要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明申請(qǐng)的目的是根據(jù)直接碳燃料電池反應(yīng)需求設(shè)計(jì)一種新型反應(yīng)裝置。該裝置可實(shí) 現(xiàn)對(duì)直接碳燃料電池的密封、電流集流、陰陽(yáng)極氣體供給、測(cè)溫控溫、固體碳燃料供給、陽(yáng) 極加水以及分段加熱等功能，同時(shí)為外部氣路、電池電化學(xué)性能測(cè)試、反應(yīng)氣體檢測(cè)留下接 口，以滿足直接碳燃料電池反應(yīng)條件需求，另外通過(guò)細(xì)致的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)拆卸簡(jiǎn)便、結(jié)構(gòu) 緊湊、水冷降溫等功能。
一種直接碳燃料電池反應(yīng)裝置，它包括固定部件、水冷部件、陰極氣體供給部件、陽(yáng)極 氣體供給部件、碳燃料安置部件、集流部件、密封部件、測(cè)控溫部件和反應(yīng)腔體部件。
固定部件主要包括上底座、內(nèi)套管、外套管套、外套管芯、上水冷套、封頭、下底座、 下底座芯，均為不銹鋼材質(zhì)。上底座是整個(gè)反應(yīng)裝置的核心部件之一，其上沿縱向開(kāi)有各種 通孔，用于固定陰極氣體入口管、陽(yáng)極氣體出口管、陽(yáng)極集流管、燃料電池?zé)犭娕急Ｗo(hù)管， 以及陰極氣體出口孔。其中部螺紋孔上安裝緊固螺釘，用于固定拉緊彈簧。上底座與內(nèi)套管 通過(guò)螺紋連接，螺紋連接處安裝O形橡膠圈進(jìn)行密封。內(nèi)套管底部套入陰極腔體管并用704 硅橡膠密封和固定。外套管芯與外套管套通過(guò)螺紋連接，在螺紋連接處安裝O形橡膠圈，由 于外套管芯的頂緊推力和外套管套斜面的楔形作用，將0形橡膠圈與陽(yáng)極腔體管、外套管套 斜面壓緊，實(shí)現(xiàn)對(duì)陽(yáng)極腔體管的固定與密封。外套管套與上水冷套通過(guò)螺紋連接，螺紋連接 處安裝0形橡膠圈進(jìn)行密封。下底座芯與下底座通過(guò)螺紋連接，在螺紋連接處安裝o形橡膠 圈，旋緊下底座芯，實(shí)現(xiàn)對(duì)碳燃料放置管的固定與密封。封頭上開(kāi)有三個(gè)通孔，分別用于固 定陽(yáng)極氣體入口管、碳燃料熱電偶保護(hù)管和加水螺旋管。水冷部件包括上底座、上水冷套、下底座、下水冷套以及焊接在各水冷套上的冷卻水導(dǎo) 管。將上(下)底座同軸放入上(下)水冷套中，焊接密封，進(jìn)而形成水冷腔體，用于通入 冷卻水。
陰極氣體供給部件包括陰極氣體入口管、陰極腔體管和上底座的陰極氣體出口孔。陰極 氣體由陰極氣體入口管進(jìn)入，通過(guò)多孔的陰極集流鉑網(wǎng)后從陰極氣體入口管與陰極腔體管之 間的環(huán)形腔體流過(guò)，經(jīng)由陰極氣體出口孔排出。其中，陰極氣體入口管為剛玉材質(zhì)，陰極腔 體管為石英玻璃材質(zhì)。
陽(yáng)極氣體供給部件包括陽(yáng)極氣體入口管、陽(yáng)極氣體出口管、陽(yáng)極腔體管、碳燃料放置管 和加水螺旋管。陽(yáng)極氣體由下部陽(yáng)極氣體入口管進(jìn)入碳燃料放置管中，與此同時(shí)，水由加水 螺旋管進(jìn)入碳燃料放置管，由于溫度較高，加水螺旋管中的水變成氣態(tài)。陽(yáng)極氣體與氣態(tài)水 混合后依次穿過(guò)多孔的石英砂燒結(jié)板、固體碳燃料進(jìn)入陽(yáng)極腔體，反應(yīng)后的陽(yáng)極氣體從陰極 腔體管與陽(yáng)極腔體管之間的環(huán)形腔體流過(guò)，經(jīng)由陽(yáng)極氣體出口管排出。其中，陽(yáng)極氣體入口 管和陽(yáng)極氣體出口管為剛玉材質(zhì)，陽(yáng)極腔體管和碳燃料放置管為石英玻璃材質(zhì)，加水螺旋管 為不銹鋼材質(zhì)。
碳燃料安置部件包括碳燃料放置管和石英砂燒結(jié)板。石英砂燒結(jié)板被燒結(jié)在碳燃料放置 管上，固體碳燃料放置在石英砂燒結(jié)板上，由于石英砂燒結(jié)板具有一定透氣性，既能保證陽(yáng) 極氣體通過(guò)，又能解決固體碳燃料的放置與反應(yīng)問(wèn)題。
集流部件主要包括陽(yáng)極集流裝置和陰極集流裝置。陽(yáng)極集流裝置由陽(yáng)極集流鉑絲、陽(yáng)極 集流銷網(wǎng)和陽(yáng)極集流剛玉管組成。陽(yáng)極集流鉑絲穿過(guò)起保護(hù)作用的雙孔陽(yáng)極集流剛玉管，集 流時(shí)陽(yáng)極集流鉑網(wǎng)分別與燃料電池陽(yáng)極、陽(yáng)極集流鉑絲緊密接觸。陰極集流裝置由陰極集流 鉑絲、陰極集流鉑網(wǎng)和陰極氣體入口管組成。陰極集流鉑絲穿過(guò)起保護(hù)作用的陰極氣體入口 管，集流時(shí)陰極集流鉑網(wǎng)分別與燃料電池陰極、陰極集流鉑絲緊密接觸，這里陰極氣體入口 管起輸送陰極氣體和保護(hù)陰極集流鉑絲的雙重作用。
密封部件主要包括密封玻璃環(huán)以及四個(gè)o形橡膠圈。密封玻璃環(huán)在高溫下實(shí)現(xiàn)燃料電池
陰、陽(yáng)極間的隔絕密封。
測(cè)控溫部件主要包括燃料電池?zé)犭娕?、燃料電池?zé)犭娕急Ｗo(hù)管、燃料電池管式加熱電爐、 碳燃料熱電偶、碳燃料熱電偶保護(hù)管、碳燃料管式加熱電爐。將熱電偶分別插入各自保護(hù)管 中，燃料電池?zé)犭娕急Ｗo(hù)管固定在上底座上，使燃料電池?zé)犭娕紲y(cè)溫頭部與燃料電池高度相同，用于對(duì)燃料電池工作溫度的精確測(cè)量，同時(shí)燃料電池管式加熱電爐用于保持工作溫度。 碳燃料熱電偶保護(hù)管固定在下底座上，使碳燃料熱電偶測(cè)溫頭部緊貼石英砂燒結(jié)板，用于對(duì) 碳燃料反應(yīng)溫度的精確測(cè)量，同時(shí)碳燃料管式加熱電爐用于保持碳燃料的反應(yīng)溫度。其中熱 電偶保護(hù)管均為剛玉材質(zhì)。
反應(yīng)腔體部件主要包括陽(yáng)極腔體管、陰極腔體管和碳燃料放置管。陰極腔體管內(nèi)為陰極 氣氛，陽(yáng)極腔體管與陰極腔體管之間、碳燃料放置管內(nèi)均為陽(yáng)極氣氛。
同現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明申請(qǐng)中提到的直接碳燃料電池反應(yīng)裝置通過(guò)獨(dú)特的部件設(shè)計(jì)， 解決了陽(yáng)極腔體加水和碳燃料放置問(wèn)題；通過(guò)分段電爐加熱，實(shí)現(xiàn)了燃料電池運(yùn)行和碳燃料 反應(yīng)的分別控溫，優(yōu)化了直接碳燃料電池性能；通過(guò)獨(dú)特的機(jī)械連接設(shè)計(jì)，避免了繁瑣的裝 卸過(guò)程；通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)布局，降低陰、陽(yáng)極腔體體積，增強(qiáng)了燃料電池對(duì)氣體組分變化的 敏感性；通過(guò)加入水冷裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)密封橡膠圈的冷卻，防止密封失效，避免操作人員燙傷， 同時(shí)便于縮短反應(yīng)裝置，進(jìn)一步降低了陰、陽(yáng)極腔體體積。


圖1為直接碳燃料電池反應(yīng)裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為上底座結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為水冷套結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為內(nèi)套管結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5為外套管芯結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6為外套管套結(jié)構(gòu)示意圖。
圖7為壓緊陶瓷片結(jié)構(gòu)示意圖。
圖8為封頭結(jié)構(gòu)示意圖。
圖9為下底座芯結(jié)構(gòu)示意圖。
圖10為下水冷套結(jié)構(gòu)示意圖。
圖ll為下底座結(jié)構(gòu)示意圖。
圖12為加水螺旋管結(jié)構(gòu)示意圖。
圖13為上底座、上水冷套及各管件裝配結(jié)構(gòu)示意圖。
圖14為上底座、上水冷套及拉緊彈簧裝配結(jié)構(gòu)示意圖。
圖15為上底座、上水冷套及內(nèi)套管裝配結(jié)構(gòu)示意圖。
圖16為外套管套、外套管芯及陽(yáng)極腔體管裝配結(jié)構(gòu)示意圖。
圖17為反應(yīng)裝置上部整體裝配結(jié)構(gòu)示意圖。
圖18為陰極集流結(jié)構(gòu)示意圖。
圖19為陽(yáng)極集流結(jié)構(gòu)示意圖。
圖20為紐扣式固體氧化物燃料電池裝配結(jié)構(gòu)示意圖。
圖21為下底座、下水冷套、陽(yáng)極腔體管裝配結(jié)構(gòu)示意圖。
圖22為下底座、陽(yáng)極腔體管及下底座芯裝配結(jié)構(gòu)示意圖。
圖23為固體碳燃料布置結(jié)構(gòu)示意圖。
圖24為封頭裝配結(jié)構(gòu)示意圖。
圖25為直接碳物燃料電池反應(yīng)裝置完整尺寸示意圖。
圖26為實(shí)施例運(yùn)行示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步描述。
圖l為直接碳燃料電池反應(yīng)裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖。主要包括上底座l，上水冷套2，內(nèi) 套管3，外套管套4，外套管芯5，陽(yáng)極腔體管6，陰極腔體管7，燃料電池管式加熱電爐8， 陰極集流鉑絲9，陰極集流鉑網(wǎng)IO，密封玻璃環(huán)ll，陽(yáng)極集流鉑網(wǎng)12，壓緊陶瓷片13，拉 緊鎳鎘絲14,陽(yáng)極集流鉑絲15，紐扣式固體氧化物燃料電池16，燃料電池?zé)犭娕?7， 0形 橡膠圈I 18,拉緊彈簧19， O形橡膠圈II 20，緊固螺釘21， O形橡膠圈IH 22,陰極氣體 入口管23，陽(yáng)極氣體出口管24，陽(yáng)極集流剛玉管25，燃料電池?zé)犭娕急Ｗo(hù)管27，固體碳燃 料39，碳燃料管式加熱電爐40，碳燃料熱電偶保護(hù)管41，碳燃料放置管42，下底座43，下 水冷套44，下底座芯45，封頭46，陽(yáng)極氣體入口管47，下冷卻水導(dǎo)管48， O形橡膠圈IV49， 加水螺旋管50，石英砂燒結(jié)板51，碳燃料熱電偶56等部件。根據(jù)其功能大致可分為固定部 件(l、 2、 3、 4、 5、 13、 14、 19、 21、 43、 45、 46)、水冷部件(l、 2、 43、 44、 48)、陰極氣 體供給部件(23、 26)、陽(yáng)極氣體供給部件(24、 47、 50)、碳燃料安置部件(42、 51)、集流部 件(9、 10、 12、 15、 25)、密封部件(ll、 18、 20、 22、 49)、測(cè)控溫部件(8、 17、 27、 40、 41、 56)和反應(yīng)腔體部件(6、 7、 42)。
圖2為上底座1結(jié)構(gòu)示意圖。上底座1開(kāi)有陰極氣體出口孔28，熱電偶保護(hù)管孔30，陽(yáng) 極集流剛玉管孔31，陽(yáng)極氣體出口管孔32，陰極氣體入口管孔33，緊固螺紋孔34。 圖3為上水冷套2結(jié)構(gòu)示意圖，上水冷套2上焊接上冷卻水導(dǎo)管35。 圖4為內(nèi)套管3結(jié)構(gòu)示意圖。內(nèi)套管3上部外表面進(jìn)行滾花處理，便于與上底座l螺紋 連接時(shí)的旋緊操作。
圖5為外套管芯5結(jié)構(gòu)示意圖。外套管芯5開(kāi)有旋緊孔36，用于外套管芯5與外套管套 4螺紋旋緊時(shí)使用。
圖6為外套管套4結(jié)構(gòu)示意圖。外套管套4上部外表面進(jìn)行滾花處理，便于與上水冷套 2螺紋連接時(shí)的旋緊操作。
圖7為壓緊陶瓷片13結(jié)構(gòu)示意圖。其上開(kāi)有通氣孔37，拉緊孔38 (三個(gè))。通氣孔37 用于燃料電池運(yùn)行時(shí)，陽(yáng)極氣體向陽(yáng)極表面的流動(dòng)傳質(zhì)。拉緊鎳鎘絲14穿過(guò)拉緊孔38并勾 住壓緊陶瓷片13，通過(guò)彈簧拉力可實(shí)現(xiàn)對(duì)紐扣式固體氧化物燃料電池16固定、集流和密封。
圖8為封頭46結(jié)構(gòu)示意圖。封頭46上開(kāi)有碳燃料熱電偶保護(hù)管孔52、加水螺旋管孔53、 陽(yáng)極氣體入口管孔54。
圖9為下底座芯45結(jié)構(gòu)示意圖。下底座芯45下部外表面進(jìn)行滾花處理，便于與下底座 43螺紋連接時(shí)的旋緊操作。
圖10為下水冷套44結(jié)構(gòu)示意圖。下水冷套44上焊接下冷卻水導(dǎo)管48。下水冷套44外 表面進(jìn)行滾花處理，便于與下底座芯45螺紋連接時(shí)的旋緊操作。
圖11為下底座43結(jié)構(gòu)示意圖。
圖12為加水螺旋管50結(jié)構(gòu)示意圖。加水螺旋管50在碳燃料管式加熱電爐40內(nèi)高溫段 螺旋盤繞，用于增大水流程，加強(qiáng)水的氣化。
圖13為上底座1、上水冷套2及各管件裝配結(jié)構(gòu)示意圖。如圖13所示，將上底座l同 軸放入上水冷套2中并對(duì)連接處焊接密封，進(jìn)而形成水冷腔體，冷卻水由上冷卻水導(dǎo)管35通 入和導(dǎo)出。將陰極氣體入口管23插入上底座1的陰極氣體入口孔28中，將陽(yáng)極集流剛玉管 25插入上底座1的陽(yáng)極集流剛玉管孔31中，將陽(yáng)極氣體出口管24插入上底座1的陽(yáng)極氣體 出口管孔32中，將燃料電池?zé)犭娕?7插入燃料電池?zé)犭娕急Ｗo(hù)管27中，并將燃料電池?zé)犭?偶保護(hù)管27插入上底座1的燃料電池?zé)犭娕急Ｗo(hù)管孔30中。各管件在上底座1上部留出一 定長(zhǎng)度，作為外部氣路、測(cè)試裝置和測(cè)控溫裝置接口，同時(shí)用704硅橡膠將所有管件與上底座l連接處密封。這些密封處在沒(méi)有部件損壞時(shí)不需要拆卸，因此不影響正常使用的簡(jiǎn)便性。 通過(guò)704硅橡膠可實(shí)現(xiàn)此處陽(yáng)極腔體與外部大氣環(huán)境的密封，防止陽(yáng)極氣體泄露。
圖14為上底座1、上水冷套2及拉緊彈簧19裝配結(jié)構(gòu)示意圖。將緊固螺釘21穿過(guò)拉緊 彈簧19 一端并將其旋緊在上底座1的緊固螺紋孔34中。拉緊彈簧19另一端與拉緊鎳鎘絲 14連接，用于拉緊壓緊陶瓷片13。在上底座1圓周方向均勻安裝三套拉緊裝置。
圖15為上底座1、上水冷套2及內(nèi)套管3裝配結(jié)構(gòu)示意圖。內(nèi)套管3通過(guò)螺紋連接旋緊 在上底座l上，連接處通過(guò)O形橡膠圈II 20密封。內(nèi)套管3底部插入陰極腔體管7中，并 用704硅橡膠密封連接處，該連接處在沒(méi)有部件損壞時(shí)不需拆卸，因此不影響正常使用的簡(jiǎn) 便性。通過(guò)704硅橡膠和0形橡膠圈n 20可以實(shí)現(xiàn)此處陰極腔體和陽(yáng)極腔體間的密封，防 止陰、陽(yáng)極氣體互通，保障了燃料電池必需的運(yùn)行條件。
圖16為外套管套4、外套管芯5及陽(yáng)極腔體管6裝配結(jié)構(gòu)示意圖。將O形橡膠圈I 18 卡在陽(yáng)極腔體管6合適位置處，并將陽(yáng)極腔體管6穿過(guò)外套管套4，借助旋緊孔36將外套管 芯5通過(guò)螺紋連接旋緊于外套管套4中。此時(shí)由于外套管芯5對(duì)0形橡膠圈I 18的推力和外 套管套4斜面的楔形作用，使得0形橡膠圈I18與陽(yáng)極腔體管6、外套管套4斜面緊密結(jié)合， 實(shí)現(xiàn)對(duì)陽(yáng)極腔體管6的固定與密封。通過(guò)0形橡膠圈I 18可以實(shí)現(xiàn)此處陽(yáng)極腔體與外部大氣 環(huán)境的密封，防止陽(yáng)極氣體泄露。
圖17為反應(yīng)裝置上部整體裝配結(jié)構(gòu)示意圖。在圖15和圖16所示裝配結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，將外 套管套4通過(guò)螺紋連接旋緊在上水冷套2上，連接處用0形橡膠圈III 22密封。通過(guò)0形橡 膠圈III 22可以實(shí)現(xiàn)此處陽(yáng)極腔體與外部大氣環(huán)境的密封，防止陽(yáng)極氣體泄露。
圖18為陰極集流結(jié)構(gòu)示意圖。陰極集流結(jié)構(gòu)主要包括陰極集流鉑絲9，陰極集流鉑網(wǎng)10 和陰極氣體入口管23。將陰極集流鉑絲9兩頭分別穿過(guò)陰極集流鉑網(wǎng)10和陰極氣體入口管 23。陰極集流鉑網(wǎng)10用于從紐扣式固體氧化物燃料電池16陰極上收集電流，陰極集流鉑絲 9的兩頭分別用作參比電極和測(cè)試電極，導(dǎo)出電流。這里陰極氣體入口管23還起著保護(hù)陰極 集流鉑絲9的作用。
圖19為陽(yáng)極集流結(jié)構(gòu)示意圖。陽(yáng)極集流結(jié)構(gòu)主要包括陽(yáng)極集流鉑網(wǎng)12，陽(yáng)極集流鉑絲 15和陽(yáng)極集流剛玉管25。將陽(yáng)極集流鉑絲15兩頭穿過(guò)雙孔的陽(yáng)極集流剛玉管25，與陽(yáng)極集 流鈾網(wǎng)12緊密接觸。將陽(yáng)極集流鈾絲15在底部盤成蛇形，增大與陽(yáng)極集流鉑網(wǎng)12的接觸面 積。陽(yáng)極集流鉑網(wǎng)12用于從紐扣式固體氧化物燃料電池16陽(yáng)極上收集電流，陽(yáng)極集流鉑絲15兩頭分別用作參比電極和測(cè)試電極，導(dǎo)出電流。這里陽(yáng)極集流剛玉管25起保護(hù)陽(yáng)極集流 鉑絲15的作用。
圖20為紐扣式固體氧化物燃料電池16裝配結(jié)構(gòu)示意圖。陰極集流鉑網(wǎng)10與陰極氣體入 口管23端口接觸。密封玻璃環(huán)11與陰極腔體管7接觸，密封玻璃環(huán)ll向下依次放置紐扣固 體氧化物燃料電池16，陽(yáng)極集流鉑網(wǎng)12，陽(yáng)極集流鉑絲15，壓緊陶瓷片13，并將三根拉緊 鎳鎘絲14穿過(guò)拉緊孔38并勾住壓緊陶瓷片13，通過(guò)彈簧拉力使得以上各部件緊密貼合，減 小集流接觸電阻。當(dāng)反應(yīng)裝置運(yùn)行在高溫時(shí)，密封玻璃環(huán)ll軟化，使得紐扣固體氧化物燃料 電池16與陰極集流鉑網(wǎng)IO緊密接觸，實(shí)現(xiàn)陰極集流，同時(shí)軟化的密封玻璃環(huán)ll實(shí)現(xiàn)此處陰 極腔體和陽(yáng)極腔體間的密封，防止陰、陽(yáng)極氣體互通，保障了電池運(yùn)行條件。此處為反應(yīng)裝 置中唯一的高溫密封。測(cè)溫?zé)犭娕?7測(cè)溫點(diǎn)應(yīng)與紐扣固體氧化物燃料電池16保持同一高度。
圖21為下底座43、下水冷套44、陽(yáng)極腔體管6裝配結(jié)構(gòu)示意圖。如圖所示，陽(yáng)極腔體 管6底部插入下底座43上部孔中，用704硅橡膠密封連接處。該連接處在沒(méi)有部件損壞時(shí)不 需拆卸，因此不影響正常使用簡(jiǎn)便性。通過(guò)704硅橡膠可實(shí)現(xiàn)此處陽(yáng)極腔體和大氣環(huán)境的密 封，防止陽(yáng)極氣體泄露。將下底座43同軸放入下冷水套44中并將連接處焊接密封，形成水 冷腔體，冷卻水由下冷卻水導(dǎo)管48通入和導(dǎo)出。
圖22為下底座43、碳燃料放置管42及下底座芯45裝配結(jié)構(gòu)示意圖。將0形橡膠圈IV 49 卡在碳燃料放置管42合適位置處，并將碳燃料放置管42穿過(guò)下底座43和下底座芯45，旋 緊下底座芯45。此時(shí)借助下底座芯45對(duì)0形橡膠圈IV 49的推力和下底座芯45斜面的楔形 作用，使得O形橡膠圈IV 49與碳燃料放置管42、下底座芯45斜面緊密結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)碳燃 料放置管42的固定與密封。通過(guò)0形橡膠圈IV 49可以實(shí)現(xiàn)此處陽(yáng)極腔體與外部大氣環(huán)境的 密封，防止陽(yáng)極氣體泄露。
圖23為固體碳燃料39布置結(jié)構(gòu)示意圖。石英砂燒結(jié)板42燒結(jié)在石英材質(zhì)的碳燃料放置 管42上，距離出口約5cm。將固體碳燃料39放置于石英砂燒結(jié)板42上。石英砂燒結(jié)板42 下面布置碳燃料熱電偶56用于測(cè)量固體碳燃料39反應(yīng)溫度。
圖24為封頭46裝配結(jié)構(gòu)示意圖。將碳燃料熱電偶56插入碳燃料熱電偶保護(hù)管41中， 并將碳燃料熱電偶保護(hù)管41插入封頭46的碳燃料熱電偶保護(hù)管孔52中，將陽(yáng)極氣體入口管 47插入封頭46陽(yáng)極氣體入口管孔54中，將加水螺旋管50插入加水螺旋管孔53中。各管件 在封頭外留出一定長(zhǎng)度，作為外部氣路、測(cè)溫裝置、供水裝置接口，同時(shí)用704硅橡膠密封所有管件與封頭46的連接處。將碳燃料放置管42底部插入封頭上部，并用704硅橡膠密封 連接處。這些704硅橡膠密封連接處在沒(méi)有部件損壞時(shí)不需拆卸，因此不影響正常使用簡(jiǎn)便 性。此處可實(shí)現(xiàn)陽(yáng)極腔體與外部大氣環(huán)境的密封，防止陽(yáng)極氣體泄露。
圖25為直接碳燃料電池反應(yīng)裝置完整尺寸示意圖。給出了按照實(shí)際尺寸成比例繪制的反 應(yīng)裝置結(jié)構(gòu)。
圖26為實(shí)施例運(yùn)行示意圖。
實(shí)施例
一種直接碳燃料電池反應(yīng)裝置，其運(yùn)行過(guò)程如圖26所示。
該反應(yīng)裝置正常運(yùn)行時(shí)，燃料電池管式加熱電爐8和碳燃料管式加熱電爐40的工作溫度 范圍為60(TC-100(rC，這時(shí)通過(guò)密封玻璃環(huán)ll、 O形橡膠圈I 18、 O形橡膠圈II 20、 0形 橡膠圈III 22、 O形橡膠圈IV 49以及在不拆卸接口處的704硅橡膠實(shí)現(xiàn)整個(gè)反應(yīng)裝置的密 封。為防止O形橡膠圈高溫失效、避免操作人員的高溫燙傷，將冷卻水分別通入上冷卻水導(dǎo) 管35和下冷卻水導(dǎo)管48，冷卻水流過(guò)水冷腔，實(shí)現(xiàn)對(duì)上、下金屬部件的冷卻。陰極氣體(如 空氣、02)通過(guò)由陰極氣體入口管23進(jìn)入反應(yīng)裝置，到達(dá)陰極集流鉑網(wǎng)10處，部分陰極氣 體在紐扣固體氧化物燃料電池16陰極發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)后以及未參加反應(yīng)的陰極氣體穿 過(guò)多孔的陰極集流鉑網(wǎng)10，經(jīng)由陰極腔體管7與陰極氣體入口管23之間的環(huán)形腔體向上流 動(dòng)，最終通過(guò)陰極氣體出口孔28排出。陽(yáng)極氣體C02通過(guò)由陽(yáng)極氣體入口管47進(jìn)入反應(yīng)裝置 中的碳燃料放置管42，與此同時(shí)，水由加水螺旋管50進(jìn)入碳燃料放置管42，由于碳燃料管 式加熱電爐40內(nèi)溫度較高，加水螺旋管中的水變成氣態(tài)。陽(yáng)極氣體C02與氣態(tài)水混合后穿過(guò) 多孔的石英砂燒結(jié)板51,與固體碳燃料39發(fā)生反應(yīng)，生成H2和C0。此時(shí)陽(yáng)極氣體變成H2、 C0和C02的混合物，該陽(yáng)極混合氣體流過(guò)在陽(yáng)極腔體管6內(nèi)繼續(xù)向上流動(dòng)，部分陽(yáng)極混合氣 體通過(guò)多孔的陽(yáng)極集流鉑網(wǎng)12到達(dá)紐扣固體氧化物燃料電池16陽(yáng)極參與反應(yīng)，生成C02和 &0并產(chǎn)生電流，反應(yīng)后以及未參加反應(yīng)的陽(yáng)極氣體經(jīng)由陽(yáng)極腔體管6與陰極腔體管7之間的 環(huán)形腔體向上流動(dòng)，最終通過(guò)陽(yáng)極氣體出口管24排出。由陰極氣體入口管23引出的兩根陰 極集流鉑絲9、陽(yáng)極集流剛玉管25引出的兩根陽(yáng)極集流鉑絲15可以組成四電極法，用于燃
料電池電化學(xué)性能測(cè)試。
當(dāng)需要添加固體碳燃料39時(shí)，旋開(kāi)下底座芯45，將碳燃料固定管42、下底座芯45、 0 形橡膠圈IV49、封頭46以及封頭46上固定的各部件從裝置底部取出，即可添加固體碳燃
料39，然后將其再插入裝置底部，旋緊下底座芯45即可。由于拆卸過(guò)程中會(huì)有少量空氣進(jìn) 入陽(yáng)極腔體，所以陽(yáng)極氣體吹掃一段時(shí)間后電池性能才能恢復(fù)。
當(dāng)運(yùn)行結(jié)束，更換紐扣固體氧化物燃料電池16時(shí)，首先，與添加固體碳燃料39步驟相 同，從反應(yīng)裝置上卸下碳燃料固定管42、下底座芯45、 0形橡膠圈IV49、封頭46以及封頭 46上固定的各部件；其次，將外套管套4從上水冷套2上旋開(kāi)，把外套管套4、外套管芯5、 陽(yáng)極腔體管6以及下底座43作為一整體取下，露出紐扣固體氧化物燃料電池16。此時(shí)卸下 拉緊鎳鎘絲14，取下壓緊陶瓷片13，即可更換耗材密封玻璃環(huán)ll和紐扣式固體氧化物燃料 電池16，然后按照反序組裝即可。
從直接碳燃料電池反應(yīng)裝置工作過(guò)程可以看出，該裝置能夠完全滿足直接碳燃料電池的 密封、電流收集、陰陽(yáng)極氣體供給、測(cè)溫控溫、固體碳燃料供給、陽(yáng)極加水以及分段加熱等 功能等反應(yīng)需求，同時(shí)為外部氣路、外部測(cè)溫裝置、電池性能測(cè)試、反應(yīng)氣體檢測(cè)留下接口， 滿足測(cè)試工作需求。從更換燃料電池和添加燃料步驟可以看出，除耗材高溫密封玻璃環(huán)ll以 外，其余密封結(jié)構(gòu)均不需要變動(dòng)，只需簡(jiǎn)單的螺紋裝卸操作即可，同現(xiàn)有技術(shù)相比裝配過(guò)程 大大簡(jiǎn)化，在合理使用情況下可保證重復(fù)50次反應(yīng)不需更換非耗材部件；整個(gè)反應(yīng)裝置布局 結(jié)構(gòu)緊湊，陰、陽(yáng)極腔體小，對(duì)氣體組分變化反應(yīng)敏感；水冷裝置防止了密封材料老化失效 以及人員燙傷，實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中金屬部件表面溫度低于40度。
權(quán)利要求
1、一種直接碳燃料電池反應(yīng)裝置，其特征在于，該反應(yīng)裝置包括上底座(1)，上水冷套(2)，內(nèi)套管(3)，外套管套(4)，外套管芯(5)，陽(yáng)極腔體管(6)，陰極腔體管(7)，燃料電池管式加熱電爐(8)，陰極集流鉑絲(9)，陰極集流鉑網(wǎng)(10)，密封玻璃環(huán)(11)，陽(yáng)極集流鉑網(wǎng)(12)，壓緊陶瓷片(13)，拉緊鎳鎘絲(14)，陽(yáng)極集流鉑絲(15)，紐扣式固體氧化物燃料電池(16)，燃料電池?zé)犭娕?17)，O形橡膠圈I(18)，拉緊彈簧(19)，O形橡膠圈II(20)，緊固螺釘(21)，O形橡膠圈III(22)，陰極氣體入口管(23)，陽(yáng)極氣體出口管(24)，陽(yáng)極集流剛玉管(25)，燃料電池?zé)犭娕急Ｗo(hù)管(27)，固體碳燃料(39)，碳燃料管式加熱電爐(40)，碳燃料熱電偶保護(hù)管(41)，碳燃料放置管(42)，下底座(43)，下水冷套(44)，下底座芯(45)，封頭(46)，陽(yáng)極氣體入口管(47)，下冷卻水導(dǎo)管(48)，O形橡膠圈IV(49)，加水螺旋管(50)，石英砂燒結(jié)板(51)，碳燃料熱電偶(56)；上底座(1)開(kāi)有陰極氣體出口孔(28)，熱電偶保護(hù)管孔(30)，陽(yáng)極集流剛玉管孔(31)，陽(yáng)極氣體出口管孔(32)，陰極氣體入口管孔(33)，緊固螺紋孔(34)；上水冷套(2)上連接冷卻水導(dǎo)管(35)；內(nèi)套管(3)與上底座(1)螺紋連接；外套管套(4)與上水冷套(2)螺紋連接；外套管芯(5)開(kāi)有旋緊孔(36)；壓緊陶瓷片(13)上開(kāi)有通氣孔(37)，拉緊孔(38)；拉緊鎳鎘絲(14)穿過(guò)拉緊孔(38)并勾住壓緊陶瓷片(13)；封頭(46)上開(kāi)有碳燃料熱電偶保護(hù)管孔(52)、加水螺旋管孔(53)、陽(yáng)極氣體入口管孔(54)；下水冷套(44)上焊接下冷卻水導(dǎo)管(48)；下水冷套(44)與下底座芯(45)螺紋連接；下底座芯(45)與下底座(43)螺紋連接；加水螺旋管(50)在碳燃料管式加熱電爐(40)內(nèi)；上底座(1)同軸放入上水冷套(2)中并對(duì)連接處焊接密封形成水冷腔體，冷卻水由上冷卻水導(dǎo)管(35)通入和導(dǎo)出；陰極氣體入口管(23)插入上底座(1)的陰極氣體入口孔(33)中，陽(yáng)極集流剛玉管(25)插入上底座(1)的陽(yáng)極集流剛玉管孔(31)中，陽(yáng)極氣體出口管(24)插入上底座(1)的陽(yáng)極氣體出口管孔(32)中，燃料電池?zé)犭娕?17)插入燃料電池?zé)犭娕急Ｗo(hù)管(27)中，燃料電池?zé)犭娕急Ｗo(hù)管(27)插入上底座(1)的燃料電池?zé)犭娕急Ｗo(hù)管孔(30)中；所有管件與上底座(1)連接密封；緊固螺釘(21)穿過(guò)拉緊彈簧(19)一端并將其旋緊在上底座(1)的緊固螺紋孔(34)中；拉緊彈簧(19)另一端與拉緊鎳鎘絲(14)連接，用于拉緊壓緊陶瓷片(13)；內(nèi)套管(3)與底座(1)螺紋連接，連接處用O形橡膠圈II(20)密封；內(nèi)套管(3)底部插入陰極腔體管(7)中并連接密封；O形橡膠圈I(18)卡在陽(yáng)極腔體管(6)中，陽(yáng)極腔體管(6)穿過(guò)外套管套(4)，通過(guò)旋緊孔(36)將外套管芯(5)螺紋連接于外套管套(4)中；外套管套(4)通過(guò)螺紋連接在上水冷套(2)上，連接處用O形橡膠圈III(22)密封；陰極集流鉑絲(9)兩頭分別穿過(guò)陰極集流鉑網(wǎng)(10)和陰極氣體入口管(23)；陰極集流鉑網(wǎng)(10)用于從紐扣式固體氧化物燃料電池(16)陰極上收集電流，陰極集流鉑絲(9)的兩頭分別用作參比電極和測(cè)試電極，導(dǎo)出電流；陽(yáng)極集流鉑絲(15)兩頭穿過(guò)雙孔的陽(yáng)極集流剛玉管(25)，與陽(yáng)極集流鉑網(wǎng)(12)緊密接觸；陽(yáng)極集流鉑網(wǎng)(12)用于從紐扣式固體氧化物燃料電池(16)陽(yáng)極上收集電流，陽(yáng)極集流鉑絲(15)兩頭分別用作參比電極和測(cè)試電極，導(dǎo)出電流；陰極集流鉑網(wǎng)(10)與陰極氣體入口管(23)端口接觸；密封玻璃環(huán)(11)與陰極腔體管(7)接觸，密封玻璃環(huán)(11)向下依次放置紐扣固體氧化物燃料電池(16)、陽(yáng)極集流鉑網(wǎng)(12)、陽(yáng)極集流鉑絲(15)、壓緊陶瓷片(13)，拉緊鎳鎘絲(14)穿過(guò)拉緊孔(38)并勾住壓緊陶瓷片(13)；測(cè)溫?zé)犭娕?17)測(cè)溫點(diǎn)與紐扣固體氧化物燃料電池(16)保持同一高度；陽(yáng)極腔體管(6)底部插入下底座(43)上部孔中并連接密封；下底座(43)同軸放入下冷水套(44)中并將連接處焊接密封形成水冷腔體，冷卻水由下冷卻水導(dǎo)管(48)通入和導(dǎo)出；O形橡膠圈IV(49)卡在碳燃料放置管(42)中，并將碳燃料放置管(42)穿過(guò)下底座(43)和下底座芯(45)，旋緊下底座芯(45)；石英砂燒結(jié)板(42)燒結(jié)在石英材質(zhì)的碳燃料放置管(42)上；固體碳燃料(39)放置于石英砂燒結(jié)板(42)上；石英砂燒結(jié)板(42)下面布置碳燃料熱電偶(56)；碳燃料熱電偶(56)插入碳燃料熱電偶保護(hù)管(41)中，碳燃料熱電偶保護(hù)管(41)插入封頭(46)的碳燃料熱電偶保護(hù)管孔(52)中，陽(yáng)極氣體入口管(47)插入封頭(46)陽(yáng)極氣體入口管孔(54)中，加水螺旋管(50)插入加水螺旋管孔(53)中；所有管件與封頭(46)連接密封；將碳燃料放置管(42)底部插入封頭上部并連接密封。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種紐扣固體氧化物燃料電池反應(yīng)裝置，其特征在于，所述壓 緊陶瓷片(13)上開(kāi)有三個(gè)拉緊孔((38))，在上底座(1)安裝三套拉緊裝置。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種紐扣固體氧化物燃料電池反應(yīng)裝置，其特征在于，所述連 接密封為704硅橡膠密封。
全文摘要
一種直接碳燃料電池反應(yīng)裝置，屬于直接碳燃料電池技術(shù)領(lǐng)域。該反應(yīng)裝置上底座(1)同軸放入上水冷套(2)中并對(duì)連接處焊接密封形成水冷腔體；陽(yáng)極集流鉑網(wǎng)(12)用于從紐扣式固體氧化物燃料電池(16)陽(yáng)極上收集電流，陽(yáng)極集流鉑絲(15)兩頭分別用作參比電極和測(cè)試電極；測(cè)溫?zé)犭娕?17)測(cè)溫點(diǎn)與紐扣固體氧化物燃料電池(16)保持同一高度；陽(yáng)極腔體管(6)底部插入下底座(43)上部孔中；石英砂燒結(jié)板(42)下面布置碳燃料熱電偶(56)；所有管件與封頭(46)連接密封。本發(fā)明解決了陽(yáng)極腔體加水和碳燃料放置問(wèn)題；實(shí)現(xiàn)了燃料電池運(yùn)行和碳燃料反應(yīng)分別控溫；避免繁瑣的裝卸過(guò)程和人員燙傷；防止了密封失效，降低了成本。
文檔編號(hào)H01M8/06GK101345315SQ20081011920
公開(kāi)日2009年1月14日 申請(qǐng)日期2008年8月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月29日
發(fā)明者史翊翔, 晨 李, 蔡寧生 申請(qǐng)人:清華大學(xué)