专利名称：模块式管状固体氧化物燃料电池发电系统的制作方法
技术领域：
本发明属一种发电装置，特别涉及固体氧化物燃料电池的发电系统。
背景技术：
与本发明最相近的现有技术是美国西屋(Westinghouse)公司的固体氧化物燃料电池(缩写SOFC)发电系统。该系统的结构大致可分为两部分，上半部分燃烧室，下半部分为发电区，即燃料电池本体。具体结构参考图1。每个单电池包括电解质管1，主要是由氧化钇稳定化的氧化锆材料制成的一端开口的圆管状管体，其内由多孔支撑管18支撑。在电解质管1的内侧壁烧结有掺锶的镧锰复合氧化物材料的阴极3，在电解质管1的外侧沉积镍金属陶瓷材料的阳极2。电池本体包括许多个这样的单电池，即许多个单电池进行串联或/和并联组合构成电池本体，电池本体安装在陶瓷材料的底座5上。单电池的串、并联方法由图2给出。图2所示为四个单电池两两串联再并联连接。连接后用阴极总线13和阳极总线12做电池引线。燃烧室4为上顶盖14和下底盖15之间的部分，两层顶盖为陶瓷材料。该系统使用纯氢做燃料，氧气做氧化剂。燃料气体从底座5外面的燃料输入管22输入，通过穿透底座5燃料流入孔17进入各单电池之间的空隙，并与阳极2接触。氧气则从上顶盖14外面的氧气输入管21输入，在燃烧室4中通过，并对气体加热。氧气通过氧气流入管16自上而下进入电解质管1的底部，并与阴极3接触。燃料电池也可以使用天然气或煤气，但需要经过一个重整过程，即使CH4产生SOFC所需的氢气等还原气体的过程。该过程用化学反应式表示。该过程的实现是用外加设备进行的，称为燃料外重整。如果是利用SOFC工作环境直接进行的，称为燃料内重整。
现有技术单电池与单电池之间结构紧凑，开发程度很高，但也存在许多不足第一，电池本体与燃烧室各自独立，从而增加密封环节，增加了整体系统的高度，降低燃烧室对电池本体和燃料气体(氢气)的加热效率。第二，电极连接是通过阴极的凸槽与阳极的凹槽穿透方式，要求电解质管不能有一点点弯曲或变形，制造工艺复杂和维修更换困难，一个单电池的电解质管断裂将导致系统的损坏；此外电极引线的连接处在高温800～1000℃区域易造成氧化。第三，纯氢气做燃料，价格昂贵，还存在运输、存储的安全问题，限制了民用市场；如果是用天然气或城市煤气需要燃料外重整设备，若采用不增加设备的直接内重整会造成过量的炭沉积在阳极表面，堵塞电极通道，影响燃料在阳极表面的传输和反应，降低电极表面活性，从而影响发电系统的性能。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现在技术的不足，使固体氧化物燃料电池发电装置设计合理，热能被充分利用；维修更换方便；保护电极不被高温氧化和接触良好；运行安全可靠。
本发明要解决的技术问题是这样实现的，将每一个单电池制成一个模块，许多个模块安装在中空的底座上；模块的结构包括倒置的电解质管，其外套有外套管；电解质管的内侧表面为阳极，外侧表面为阴极；在电解质管内通燃料气体，通过外套管向电解质管阴极部分通氧化剂(空气)。在底座上装有燃料室的燃料喷嘴。每一个这样的模块都是独立的，许多模块并排放在一起并使各模块的电极在低温区域内串联、并联构成发电系统。
具体结构详述如下模块式管状固体氧化物燃料电池发电系统，由单电池；燃烧室；底座等构成。
所说的单电池包括有一开口的电解质管与电解质管有相似形状的并套在其内的多孔支撑管，制作在电解质管壁上的阳极，阴极；以及空气输入管，燃料输入管等部件。本发明的电解质管是开口朝下的安装在底座上的，阳极和阴极分别制作在电解质管的内侧和外侧，这些都与背景技术相反。在电解质管内装有燃料导入管，燃料导入管与输入燃料的总管相连通，为燃料电池的阳极区域提供燃料气体。在电解质管外面套装有外套管，其上端开有氧化剂(空气)注入口，氧化剂(空气)注入口与输入氧化剂(空气)的总管相连通。
所说的底座是中空的密封体，其上装有单电池。燃料导入管自下而上从底座中心穿过，燃料导入管与底座下层之间密封，而与底座上层之间是有空隙的，该空隙可让剩余燃料通过进入底座的中空部分。电解质管管口与底座上层是密封的，而外套管与底座上层是有孔隙的，该孔隙可让剩余氧化剂(空气)通过为剩余燃料助燃。
所说的燃烧室是燃料电池的上顶盖与底座之间的空间，燃烧室包括底座的中空部分和喷嘴。喷嘴由中心管和外环孔组成。中心管穿过底座的上层，下端与底座的中空部分相连，上端为火焰喷口；外环孔环绕在中心管外围，是外套管下端和底座之间形成的孔隙。
单电池的阳极和阴极的电极引线经底座的侧面引出，在底座的底部外面低温区域进行串联或/和并联。
前述的结构可以使用氢气作燃料气体，也可以使用天然气、城市煤气作燃料气体。使用天然气、城市煤气时，可以采取直接内重整方式将原料气体转变为氢气。更好的办法是采用本发明的间接内重整系统，将天然气、城市煤气转变为氢气。
本发明的间接内重整系统由高温重整室、高温转换器、低温转换器以及气水分离器、管道组成。
所说的高温重整室是燃烧室的上半部分，剩余燃料燃烧放出热量，加热燃料输入管内的城市煤气、天然气和水蒸气，即燃料输入管从高温重整室内通过。氧化剂(空气)输入管和外套管上端的氧化剂(空气)注入口也置于高温重整室内，为氧化剂(空气)预热。
所说的高温转换器和低温转换器是盛水的容器，其上都分别开有进水口和出水口，燃料输入管经高温重整室后，分先后从高温转换器和低温转换器中间穿过，再与通入电解质管内的燃料导入管相接通。
所说的气水分离器是开有气水入口、蒸气出口、水出口的一个容器。气水分离器的气水入口通过管道与高温转换器的出水口相连通；气水分离器的蒸气出口通过管道与燃料输入管的入口相连通；气水分离器的水出口由管道并经过水位传感器、控制风冷装置与低温转换器的进水口相连通，在气水分离器的水出口的管道底端经水泵连接水源。
本发明由于电解质管的开口向下，阳极在电解质管内侧，不仅能够充分利用燃料的氢气成份，而且燃料导入管可以起到预热燃料的作用，提高了电池工作的稳定性和电池性能。本发明的外套管不仅减少了燃烧室所占的空间，使系统结构紧凑，而且保护阴极气氛，防止阴极有燃烧沉积物，还便于对电池的燃烧加热。本发明中电极在低温处串、并联接，可解决电极高温氧化问题，降低连接点的接触电阻，节省高温电极引线的昂贵材料。本发明是多个模块并行安装，只要拆开电极引线即可整块更换，方便了维修，而且一个单电池损坏不影响其它单电池正常工作。本发明的间接内重整系统，可以使用城市煤气、天然气作燃料气体，从而降低了成本用于民用，扩大了应用的范围，而且重整效果好，将甲烷转换和水蒸气的产生通过转换器融为一体，结构合理，提高了设备利用率和热效率，节省了燃料。
图1是背景技术的发电装置结构示意图。
图2是背景技术的各单电池电极的串并联结构示意图。
图3是本发明的模块式单电池结构示意图。
图4是图3的A-A剖面图。
图5是本发明的发电系统示意图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明的结构及工作过程做进一步描述。
实施例1 本发明的模块式单电池结构图3给出了一个单电池模块及相邻模块的结构剖面示意图。其中1为电解质管，2为阳极，制作在电解质管1的内侧。3为阴极，制作在电解质管1的外侧。4为燃烧室，是燃料电池的上顶盖14与底座5之间的空间。5为中空的底座。8为外套管，外套管8上端的开口是氧化剂(空气)流入口10，氧化剂(空气)流入口10与氧化剂(空气)输入管21相通。9为燃料导入管，它穿过底座5与燃料输入管22连通，外套管8的外侧为燃料室4。11为燃烧器的喷嘴，它由中心管35和外环孔36组成，中心管35穿过底座5的上层。图3中没画出多孔支撑管18。
图4是图3的A-A剖面图，由图4可以看出电解质管1、外套管8、燃料导入管9，以及中心管35和外环孔36之间的位置关系。
发电系统工作时，氧化剂(空气)经氧化剂(空气)输入管21和氧化剂(空气)流入口10进入电解质管1和外套管8之间的阴极空间。燃料气体通过燃料输入管22和燃料导入管9进入电解质管1内的阳极区域。燃料气体(氢气)与氧化剂(空气)进行反应而发电。由于氢气较其它物质轻，可在电解质管1内停留较长时间，能充分与空气进行反应。剩余的燃料向下流出电解质管1，通过燃料导入管9与底座5上层间的空隙进入底座5的中空部分，再经中心管35由喷嘴11喷出进行燃烧，使燃烧室4温度升高与发电过程放热一起维持每个单电池发电所需的温度(≈800℃)，同时还为燃料输入管22的前端及氧化剂(空气)输入管21预热。剩余的氧化剂(空气)经过外套管8下端与底座5之间的孔隙进入外环孔36，为剩余燃料作助燃气体使剩余燃料燃烧。
实施例2 本发明的间接内重整系统当使用燃料为城市煤气或天然气时，需要有重整过程。图5给出了包括重整系统内在的燃料电池发电系统的总体结构示意图。图4中，燃料室4的上半部分为高温重整室20，其内有氧化剂(空气)输入管21和燃料输入管22，他们在此预热。23为高温转换器，24为低温转换器，他们分别有进水口25和出水口26。燃料输入管22从它们中间穿过进行燃料气体的重整，即，使甲烷转变为氢气和二氧化碳，再经燃料导入管9进入电解质管1内。燃料重整所需的水蒸气则由高温转换器23提供并循环使用，其过程是，由高温转换器23的出水口26和气水入口30进入气水分离器29，蒸汽和水在气水分离器29处分离，蒸汽经蒸气出口31和气压传感器38进入燃料输入管22，提供燃料重整所需的水蒸气，即反应中的水。分离的水经水出口32、水位传感器34、控制风冷装置37和流入低温转换器24，一方面为燃料提供重整所需的降温，又使水进行了加热；再经高温转换器23，使水蒸发变为水汽混合物。水位传感器34用于监视和控制气水分离器29的水位；控制风冷装置37用于控制低温转换器24的水温，若低温转换器24水温过高，控制风冷装置37可使其降温；气压传感器38用于控制蒸汽的压力，确保水蒸汽和燃料气体的混合比例。水泵39连接在水源与水循环的管道中间，以补充燃料重整系统用水，保证气水分离器29的水位。
在本发明的间接内重整系统中，高温重整室20的温度可达800～1000℃，进行的化学反应。输出的燃料气体进入高温转换器23，使燃料温度降为350-370℃，所进行的化学反应为，即使CO进一步转变为CO2和H2。这时尚有CO残余气体，在进入低温转换器24温度降为200-230℃，使CO进一步转化为CO2和H2。这时的燃料气体输入到燃料导入管9内再次升温。此时升温的热量来自阳极反应放出的热量，温度可达800-1000℃。重整所需的水蒸气由低温转换器24和高温转换器23使水两次升温，达到汽化的程度。
权利要求
1.一种模块式管状固体氧化物燃料电池发电系统，由单电池；燃烧室(4)；底座(5)以及氧化剂输入管(21)，燃料输入管(22)构成；所说的单电池包括有一开口的电解质管(1)与电解质管(1)有相似形状的并套在其内的多孔支撑管(18)，制作在电解质管(1)壁上的阳极(2)、阴极(3)；其特征是，电解质管(1)是开口朝下的安装在底座(5)上的，阳极(2)和阴极(3)分别制作在电解质管(1)的内侧和外侧；在电解质管(1)内装有燃料导入管(9)，燃料导入管(9)与燃料输入管(22)相连通，为燃料电池的阳极区域提供燃料气体；在电解质管(1)外面套装有外套管(8)，其上端开有氧化剂注入口(10)，氧化剂注入口(10)与氧化剂输入管(21)相连通；所说的底座(5)是中空的密封体，其上装有单电池；燃料导入管(9)自下而上从底座(5)中心穿过，燃料导入管(9)与底座(5)下层之间密封，而与底座(5)上层之间是有空隙的，该空隙让剩余燃料通过进入底座的中空部分；电解质管(1)管口与底座(5)上层是密封的，而外套管(8)与底座(5)上层是有孔隙的，该孔隙让剩余氧化剂通过为剩余燃料助燃；所说的燃烧室(4)是燃料电池的上顶盖(14)与底座(5)之间的空间，燃烧室(4)包括底座(5)的中空部分和喷嘴(11)。喷嘴(11)由中心管(35)和外环孔(36)组成；中心管(35)穿过底座(5)的上层，下端与底座(5)的中空部分相连，上端为火焰喷口；外环孔(36)环绕在中心管(35)外围，是外套管(8)下端和底座(5)之间形成的孔隙；单电池的阳极(2)和阴极(3)的电极引线经底座(5)的侧面引出，在底座(5)的底部外面进行串联或/和并联。
2.按照权利要求1所述的模块式管状固体氧化物燃料电池发电系统，其特征是，本发明的结构还包括间接内重整系统；间接内重整系统由高温重整室(20)、高温转换器(23)、低温转换器(24)以及气水分离器(29)、管道组成；所说的高温重整室(20)是燃烧室(4)的上半部分，燃料输入管(22)从高温重整室(20)内通过。氧化剂输入管(21)和外套管(8)上端的氧化剂注入口(10)也置于高温重整室(20)内；所说的高温转换器(23)和低温转换器(24)是盛水的容器，其上都分别开有进水口(25)和出水口(26)，燃料输入管(22)经高温重整室(20)后，分先后从高温转换器(23)和低温转换器(24)中间穿过，再与通入电解质管(1)内的燃料导入管(9)相接通；所说的气水分离器(29)是开有气水入口(30)、蒸气出口(31)、水出口(32)的一个容器。气水入口(31)通过管道与高温转换器(23)的出水口(26)相连通；蒸气出口(31)通过管道与燃料输入管(22)的入口相连通；水出口(32)经水位传感器(34)、控制风冷装置(37)、水泵(39)与低温转换器(24)的进水口(25)相连通。
全文摘要
本发明的模块式管状固体氧化物燃料电池发电系统属发电装置，由单电池；燃烧室4；底座5以及氧化剂(空气)输入管21，燃料输入管22构成；单电池是开口朝下的电解质管1安装在底座5上，其内侧和外侧分别制作阳极2和阴极3，其内装有燃料导入管9，其外面套装有上端开氧化剂注入口10的外套管8；所说的底座5是中空的密封体；燃烧室4由底座5的中空部分、喷嘴11和外环孔36组成。本发明结构还包括间接内重整系统。本发明能充分利用燃料的氢气成分，提高了电池工作的稳定性和性能；电池结构紧凑，防止阴极有燃烧沉积物；解决电极高温氧化问题；模块式可整块更换方便了维修；间接内重整系统结构合理，提高了设备利用率和热效率。
文档编号H01M8/10GK1674344SQ20051001670
公开日2005年9月28日 申请日期2005年4月11日 优先权日2005年4月11日
发明者裴力, 贺天民, 苏文辉, 刘江, 吕喆, 黄喜强, 刘晓梅, 纪媛 申请人:吉林大学