一種實(shí)驗(yàn)室用固體氧化物燃料電池的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種實(shí)驗(yàn)室用固體氧化物燃料電池。
【背景技術(shù)】
[0002]煤炭是我國(guó)的主要能源，長(zhǎng)期以來(lái)占一次能源消費(fèi)總量的70%左右，而且這種以煤為主體的能源結(jié)構(gòu)將在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)難以改變，預(yù)計(jì)2010-2050年的總消費(fèi)量在1000億噸標(biāo)準(zhǔn)煤以上。目前我國(guó)煤炭的主要利用方式是直接燃燒用于發(fā)電和工業(yè)供熱，其能量轉(zhuǎn)化效率低、污染嚴(yán)重。隨著生態(tài)環(huán)境問(wèn)題的惡化、資源制約的日益加劇以及能源資源競(jìng)爭(zhēng)的日趨激烈，對(duì)不可再生資源可持續(xù)發(fā)展、對(duì)煤炭資源的高效利用越來(lái)越凸顯其重要的戰(zhàn)略意義。
[0003]燃料電池因能量轉(zhuǎn)化效率高、污染低被認(rèn)為是最具有發(fā)展前景的發(fā)電裝置。直接碳燃料電池(DCFC)因能直接利用含碳固體作為燃料，其理論能量轉(zhuǎn)化效率高，固體碳能量密度高等特點(diǎn)而倍受青睞。DCFC是將固體含碳物質(zhì)中化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的一種發(fā)電裝置，其工作原理可簡(jiǎn)單表達(dá)為方程式(I):
[0004]C+02 = C02,E=1.02V (I)
[0005]即固體含碳物中的碳在電池陽(yáng)極發(fā)生電化學(xué)氧化生成CO2并釋放電子，陰極氧化劑O2得到電子被還原。
[0006]在直接碳燃料電池的研究中，因電解質(zhì)的不同出現(xiàn)了三類DCFC:以熔融氫氧化物為電解質(zhì)的DCFC，以熔融碳酸鹽為電解質(zhì)的DCFC以及以固體氧化物為電解質(zhì)的DCFC，而固體氧化物電解質(zhì)因具有耐腐蝕性強(qiáng)、使用壽命長(zhǎng)、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)而被成功用于DCFC。
[0007]考慮到燃料電池電解質(zhì)的工作溫度，氫氧化物電解質(zhì)DCFC的操作溫度在500°C?600°C，熔融碳酸鹽電解質(zhì)的DCFC操作溫度在800°C，固體氧化物DCFC的操作溫度在700°C?900°C。美國(guó)科學(xué)應(yīng)用與研究協(xié)會(huì)(SARA)提出了一種以碳棒為陽(yáng)極的非常規(guī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用熔融氫氧化物為電解質(zhì)，其設(shè)計(jì)目標(biāo)是將電池陰極作為熔融電解質(zhì)的容器，電池結(jié)構(gòu)為圓筒形或方形，加濕過(guò)的氧氣從電池底部通入。以氫氧化物為電解質(zhì)時(shí)，陽(yáng)極尾氣CO2與電解質(zhì)反應(yīng)消耗電解質(zhì)而降低電池壽命；
[0008]為了設(shè)計(jì)能夠連續(xù)進(jìn)料的電池設(shè)備，Cooper所在的勞倫斯里弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)了以32%Li2C03-68%K2C03為電解質(zhì)，多層ZrO氈為隔膜的傾角DCFC，其水平傾角為5°?45°。因?yàn)檫@種傾角設(shè)計(jì)可以使陽(yáng)極漿狀碳燃料反應(yīng)后多余的熔融電解質(zhì)流出，避免了陰極電解質(zhì)液泛現(xiàn)象。如果將電極單元組合疊加，能夠形成電池組。以碳酸鹽為電解質(zhì)，因其強(qiáng)烈的腐蝕性造成電池壽命降低；固體氧化物電解質(zhì)DCFC操作溫度較高，對(duì)電池材料要求較尚O
[0009]英國(guó)安德魯斯大學(xué)設(shè)計(jì)了管狀電池模型，該電池將鉑陰極粘結(jié)在管狀的YSZ內(nèi)表面，將電解質(zhì)管浸入到碳酸鹽與碳燃料的混合液中，利用鎳網(wǎng)作陽(yáng)極;斯坦福研究中心的Balachov等人結(jié)合MCFC和SOFC技術(shù)設(shè)計(jì)了熔融碳酸鹽陽(yáng)極DCFC結(jié)構(gòu)。它的關(guān)鍵部件是U管的設(shè)計(jì)，它包含內(nèi)、外管設(shè)計(jì)，其中熔融鹽為陽(yáng)極擴(kuò)展區(qū)域，碳燃料分散在熔融鹽里，
[0010]美國(guó)清潔煤能源技術(shù)中心在斯坦福大學(xué)的研究基礎(chǔ)上提出了流化床設(shè)計(jì)的直接碳燃料電池的概念，該設(shè)計(jì)是將流化床與SOFC技術(shù)聯(lián)合。
[0011]各種電池設(shè)計(jì)概念是基于工業(yè)應(yīng)用的基礎(chǔ)上提出的，但對(duì)DCFC的研究尚處于實(shí)驗(yàn)室研究過(guò)程，DCFC的基礎(chǔ)理論研究顯得尤為重要，設(shè)計(jì)一種操作方便，對(duì)比性強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)裝置十分必要。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0012]本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種實(shí)驗(yàn)室用固體氧化物燃料電池。該固體氧化物燃料電池結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)新穎合理，實(shí)現(xiàn)方便，實(shí)用性強(qiáng)，使用效果好，可用于對(duì)固體碳燃料的電化學(xué)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，并且具有重復(fù)使用和進(jìn)行重復(fù)對(duì)比實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)。
[0013]為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是:一種實(shí)驗(yàn)室用固體氧化物燃料電池，其特征在于，包括陽(yáng)極進(jìn)氣管、陰極進(jìn)氣管、陽(yáng)極排氣管、陰極排氣管、第一氣瓶、第二氣瓶、陰極不銹鋼圓臺(tái)和陽(yáng)極筒，以及用于固定陽(yáng)極進(jìn)氣管、陰極進(jìn)氣管、陽(yáng)極排氣管和陰極排氣管的圓盤(pán)，所述圓盤(pán)位于陽(yáng)極筒上方，陰極不銹鋼圓臺(tái)位于陽(yáng)極筒下方，所述陽(yáng)極筒兩端均開(kāi)口，陽(yáng)極筒的上端開(kāi)口處設(shè)置有密封塞，陽(yáng)極筒的底部設(shè)置有電解質(zhì)片，所述陽(yáng)極進(jìn)氣管的一端與陽(yáng)極筒相連通，陽(yáng)極進(jìn)氣管的另一端穿過(guò)圓盤(pán)與第一氣瓶相連通，所述陽(yáng)極排氣管的一端與陽(yáng)極筒相連通，陽(yáng)極排氣管的另一端穿過(guò)圓盤(pán)與陽(yáng)極排氣管路連接，所述陰極不銹鋼圓臺(tái)上設(shè)置有凹坑，陰極進(jìn)氣管的一端穿入陰極不銹鋼圓臺(tái)并從所述凹坑的底部穿出，陰極進(jìn)氣管的另一端穿過(guò)圓盤(pán)與第二氣瓶相連通，所述陰極排氣管的一端穿入陰極不銹鋼圓臺(tái)并從所述凹坑的底部穿出，陰極排氣管的另一端穿過(guò)圓盤(pán)與陰極排氣管路連接，所述電解質(zhì)片位于所述凹坑的正上方且電解質(zhì)片壓緊于陽(yáng)極筒與陰極不銹鋼圓臺(tái)之間，所述電解質(zhì)片的外周設(shè)置有用于密封陽(yáng)極筒與電解質(zhì)片的接觸部位和電解質(zhì)片與陰極不銹鋼圓臺(tái)的接觸部位的密封層。
[0014]上述的一種實(shí)驗(yàn)室用固體氧化物燃料電池，其特征在于，所述陽(yáng)極進(jìn)氣管與第一氣瓶之間通過(guò)陽(yáng)極氣體管路相連通，所述陰極進(jìn)氣管與第二氣瓶之間通過(guò)陰極氣體管路相連通。
[0015]上述的一種實(shí)驗(yàn)室用固體氧化物燃料電池，其特征在于，所述陽(yáng)極氣體管路上設(shè)置有第一流量計(jì)，陰極氣體管路上設(shè)置有第二流量計(jì)。
[0016]上述的一種實(shí)驗(yàn)室用固體氧化物燃料電池，其特征在于，所述陰極進(jìn)氣管穿出凹坑底部的一端端部和陰極排氣管穿出凹坑底部的一端端部均位于電解質(zhì)片下方且與電解質(zhì)片間隙設(shè)置。
[0017]上述的一種實(shí)驗(yàn)室用固體氧化物燃料電池，其特征在于，所述陽(yáng)極進(jìn)氣管、陰極進(jìn)氣管、陽(yáng)極排氣管和陰極排氣管均通過(guò)螺絲固定安裝于圓盤(pán)上。
[0018]上述的一種實(shí)驗(yàn)室用固體氧化物燃料電池，其特征在于，所述圓盤(pán)的數(shù)量為兩個(gè)，兩個(gè)所述圓盤(pán)垂直分布且兩個(gè)所述圓盤(pán)之間設(shè)置有張緊彈簧。
[0019]上述的一種實(shí)驗(yàn)室用固體氧化物燃料電池，其特征在于，所述陽(yáng)極排氣管路遠(yuǎn)離陽(yáng)極排氣管的一端連接有陽(yáng)極尾氣檢測(cè)器，所述陰極排氣管路遠(yuǎn)離陰極排氣管的一端連接有陰極尾氣檢測(cè)器。
[0020]上述的一種實(shí)驗(yàn)室用固體氧化物燃料電池，其特征在于，所述電解質(zhì)片為固體氧化物電解質(zhì)片。
[0021]上述的一種實(shí)驗(yàn)室用固體氧化物燃料電池，其特征在于，所述陽(yáng)極筒、密封塞和電解質(zhì)片形成用于盛裝固體燃料的陽(yáng)極室。
[0022]本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0023]1、本實(shí)用新型的固體氧化物燃料電池結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)新穎合理，實(shí)現(xiàn)方便，實(shí)用性強(qiáng)，使用效果好，具有很深的現(xiàn)實(shí)研究意義。
[0024]2、本實(shí)用新型的固體氧化物燃料電池可用于對(duì)固體碳燃料的電化學(xué)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，并且具有重復(fù)使用和進(jìn)行重復(fù)對(duì)比實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)。
[0025]3、本實(shí)用新型的固體氧化物燃料電池利用電解質(zhì)片將電池的陰極和陽(yáng)極氣體分離，實(shí)現(xiàn)固體碳燃料的化學(xué)能向電能直接轉(zhuǎn)化。
[0026]4、本實(shí)用新型的固體氧化物燃料電池陽(yáng)極室采用密封塞密封，可通過(guò)開(kāi)啟密封塞對(duì)固體碳燃料進(jìn)行更換，容易實(shí)現(xiàn)對(duì)比試驗(yàn)。
[0027]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
【附圖說(shuō)明】
[0028]圖1為本實(shí)用新型固體氧化物燃料電池的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0029]圖2為本實(shí)用新型陰極進(jìn)氣管、陰極排氣管和陰極不銹鋼圓臺(tái)的位置關(guān)系示意圖。
[0030]圖3為本實(shí)用新型固體氧化物燃料電池去除密封層的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0031]附圖標(biāo)記說(shuō)明:
[0032]I 一陽(yáng)極進(jìn)氣管；2—陰極進(jìn)氣管；3—陽(yáng)極排氣管；
[0033]4 一陰極排氣管；5—陽(yáng)極筒；6—陰極不銹鋼圓臺(tái)；
[0034]7—密封塞；8—圓盤(pán)；9 一電解質(zhì)片；
[0035]10—張緊彈簧；11 一陽(yáng)極氣體管路； 12—第一流量計(jì)；
[0036]13—陰極氣體管路； 14 一第二流量計(jì)；15—陽(yáng)極排氣管路；
[0037]16—陰極排氣管路；17—陽(yáng)極尾氣檢測(cè)器；18—陰極尾氣檢測(cè)器；