[實用新型]一種平板式鼓泡床固體氧化物直接碳燃料電池堆

無效

• 申請號: 201120087224.2
• 申請日: 2011-03-29
• 公開（公告）號: CN202004100U
• 公開（公告）日: 2011-10-05
• 發明（設計）人: 許世森;李晨;程健;徐越;王保民
• 申請（專利權）人: 中國華能集團清潔能源技術研究院有限公司
• 主分類號: H01M8/24
• 分類號: H01M8/24;H01M8/10;H01M8/02;H01M2/26
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 陸萬壽

技術領域

本實用新型屬于直接碳燃料電池技術領域，具體涉及一種平板式鼓泡床固體氧化物直接碳燃料電池堆，。

背景技術

能源是國民經濟的支柱，是人類社會發展所必需的推動力。我國是世界上少數以煤為主要能源的國家，約占一次能源總量的70％以上，且在未來相當長的一段時期內，我國以煤炭為主的能源現狀難以改變。與發達國家相比，我國燃煤發電利用效率較低，能源浪費和環境污染狀況嚴重。因此，探索清潔、高效的煤炭利用方式勢在必行。

目前，燃料電池是世界上清潔能源技術研究熱點之一，它將燃料中的化學能直接轉化為電能，具有能量轉換效率高、潔凈無污染、噪聲低、模塊結構性強等優點，有望成為未來能源供應系統的重要組成部分。其中，固體氧化物直接碳燃料電池(Solid?Oxide?Direct?Carbon?Fuel?Cell，SO-DCFC)采用固體碳作為燃料，將其中的化學能直接轉化為電能，其獨特優勢在于：理論效率更高；固體碳燃料體積小、熱值高，有望通過對儲量豐富的煤炭進行簡單加工處理而得到，燃料來源廣泛；高溫下電解質為固態，避免了液體電解質的腐蝕與泄露；有利于二氧化碳的富集與減排。因此，如果固體氧化物直接碳燃料電池能夠實現以煤為燃料的商業化應用，將革命性地改變傳統能源利用方式，實現傳統化石能源利用和燃料電池技術的完美結合，有力緩解我國油氣資源緊張現狀，提高能源利用效率，減輕CO₂減排壓力。因此，固體氧化物直接碳燃料電池發電技術的研究對能源技術進步和國家能源安全具有重要意義。

直接碳燃料電池的歷史可以追述到19世紀末。1965年，Zahradnik等人最早提出將煤氣化單元和高溫固體氧化物燃料電池相結合的系統。1988年，Nakagawa等人將木炭置于固體氧化物燃料電池陽極腔體中，驗證了這一過程。2003年，Chuang等人在單電池實驗中采用固體氧化物電解質，將碳燃料顆粒放置于陽極表面，獲得較好的電池性能。2007年，Gür等人提出采用管式固體氧化物燃料電池的流化床直接碳燃料電池設計，以加快反應器內的傳熱傳質過程，改進電池性能。2009年，王紹榮等人在傳統陽極支撐型管式固體氧化物燃料電池中裝滿商業炭黑，制備了一種直接碳燃料電池。受電池材料與技術發展限制，目前國內外固體氧化物直接碳燃料電池研究多停留在單電池設計和實驗研究階段，燃料電池堆設計較少。同時，與傳統使用氣體燃料的燃料電池不同，直接碳燃料電池在實際應用過程中面臨著固體碳燃料的連續給料問題，給燃料電池堆的設計帶來進一步困難。

固體氧化物燃料電池根據幾何結構的不同常分為管式和平板式兩種類型。其中，管式電池易于分割陰陽極腔體、密封簡單，可通過對氣體燃料電池堆結構的簡單改造而得到直接碳燃料電池堆，因此，已有直接碳燃料電池堆設計思路中多采用管式固體氧化物燃料電池。而使用氣體燃料的平板式燃料電池堆中陰、陽極腔體結構復雜、流道冗長，無法滿足固體燃料的給料需求，目前尚未有相關報道。但是，與管式燃料電池相比，平板式燃料電池技術相對成熟，國內外相關研究最為廣泛。因此，平板式固體氧化物直接碳燃料電池堆的設計對該技術發展就有重要意義。

此外，在直接碳燃料電池堆結構設計中，期望進一步改善陽極碳燃料傳質過程、增大碳燃料反應速率，以進一步提高電池堆的性能，這一點可通過借鑒化工領域中較為成熟的鼓泡床技術實現。鼓泡床技術是在反應器底部安裝布風板，當氣體以一定速度流過布風板時，布風板上固體顆粒床料進入流化狀態，氣體以鼓泡方式通過床料，床料劇烈運動，可加速反應發生和傳熱傳質過程。由于鼓泡床的獨特優點，使得該技術在化工領域得到廣泛應用。

實用新型內容

本實用新型的目的在于提供一種能夠解決直接碳燃料電池采用平板式單體電池組堆的困難，以及固體碳燃料的連續給料問題；加強電池堆內部傳熱傳質過程，提高電池堆整體性能；同時要求設備簡單、易于實現，確保電池密封和集流，便于組成大規模電池組的平板式鼓泡床固體氧化物直接碳燃料電池堆。

為達到上述目的，本實用新型采用的技術方案是：包括下端帶有陽極載氣入口、上端帶有陽極載氣出口的鼓泡床，在鼓泡床四周壁面上規則開設的與平板式燃料電池單體尺寸相匹配的矩形孔，平板式燃料電池單體安裝于鼓泡床壁面開孔處，平板式燃料電池單體的陽極面向鼓泡床內部，陰極面向鼓泡床外部，各壁面平板式燃料電池單體的陰極、陽極依次與集流導線相連，在各壁面平板式燃料電池單體連接后鼓泡床四個壁面的平板式燃料電池單體再經集流導線串聯組成電池堆引出電池堆正、負極輸出導線，在鼓泡床的下端設置有布風板，布風板的上端鋪設有固體碳燃料。