專利名稱：陶瓷膜燃料電池電-熱聯(lián)供裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于燃料電池領(lǐng)域，特別涉及陶瓷膜燃料電池的應(yīng)用技術(shù)。
技術(shù)背景燃料電池(fuel cell)是將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置。固體氧化物燃料電 池(SOFC)，特別是其新一代基于陶瓷膜制備技術(shù)，以薄層化電解質(zhì)為核心的SOFC稱 為陶瓷膜燃料電池(簡稱CMFC，以下均用CMFC表示)，其燃能轉(zhuǎn)化效率高，燃料適 應(yīng)性廣，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定操作方便，對環(huán)境友好，是國際上公認(rèn)的21世紀(jì)綠色能源，是化石燃 料和生物質(zhì)燃料轉(zhuǎn)化為電能的最佳換能技術(shù)，將成為高效分散電源，車船動(dòng)力能源，以 至有可能最終取代目前火力發(fā)電而成為未來氫能社會(huì)的主要能源技術(shù)。CMFC —般工作溫度在500 1000。C之間，而所用的燃料和氧化劑(一般是空氣) 一般處于室溫。為了維持電池系統(tǒng)正常工作，需要提供熱量來預(yù)熱燃料和氧化劑。通常 情況下，所需的熱量來自于電池本身工作時(shí)產(chǎn)生的電熱，或者通過未反應(yīng)的燃料燃燒來 提供。如果將多余的熱能作為電池系統(tǒng)的副產(chǎn)品以其它形式加以回收利用，構(gòu)成能量綜 合利用系統(tǒng)，可以大大提高能源的利用效率。例如，對于大型CMFC系統(tǒng)可以和燃?xì)廨?機(jī)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電，燃?xì)廨啓C(jī)的尾氣余熱用于蒸汽輪機(jī)發(fā)電或另行利用等。CMFC的單電池外形結(jié)構(gòu)上主要有管式和平板式兩種構(gòu)型，兩種構(gòu)型的區(qū)別主要在 燃料與氧化劑的提供方式、單電池連接方式、電堆密封方式有所不同。雖然平板式CMFC 有較高的體積輸出功率密度，但管式CMFC較平板式更容易解決密封問題，從而可以多 次熱循環(huán)而無由于熱應(yīng)力造成結(jié)構(gòu)破壞之憂，且容易通過單電池的串聯(lián)和并聯(lián)組成大規(guī) 模電池發(fā)電系統(tǒng)。最近幾年， 一種新型的集平板和管狀優(yōu)點(diǎn)于一身的扁平管結(jié)構(gòu)的CMFC被人們提出 來，在2002年，ZL02113198.8中公開了一種多通道管狀陽極支撐結(jié)構(gòu)的CMFC，它具有 眾多優(yōu)點(diǎn)和設(shè)計(jì)特點(diǎn)。但其未給出它在中小型的分布式能源裝置中的應(yīng)用。中小型的分布式能源裝置(一般lkW至數(shù)10kW)是目前CMFC應(yīng)用開發(fā)的主要市 場面向。對于使用這種中小型裝置的用戶來說，除了需要電能以外，往往還需要熱能， 例如住房取暖和生活熱水。因此，如何構(gòu)建以CMFC為核心的電一熱聯(lián)供系統(tǒng)，由此來提高能源利用效率，并滿足我們高質(zhì)量的生活需要，是科技工作者需要解決的問題。 發(fā)明內(nèi)容針對現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本實(shí)用新型提出了一種以上述多通道管狀陽極支撐結(jié)構(gòu)的 CMFC組成的電池堆為核心的電一熱聯(lián)供裝置，有利于提高中小型CMFC分布式電源裝置的 能源利用效率。本實(shí)用新型的技術(shù)方案如下-本實(shí)用新型的陶瓷膜燃料電池電一熱聯(lián)供裝置，包括多通道管狀陽極支撐結(jié)構(gòu)的 CMFC單電池組成的CMFC電池堆組，以及由燃?xì)夤岬睦錈崴粨Q裝置，其特征在于，所 述多通道陽極支撐管狀結(jié)構(gòu)的CMFC單電池組成的CMFC電池堆組和由燃?xì)夤岬睦錈崴?循環(huán)裝置均包容在一個(gè)帶有保溫層的柱形殼體中，該殼體內(nèi)腔由隔熱層分為兩層，下層 為燃料供應(yīng)室，設(shè)有燃料進(jìn)入管道，用于補(bǔ)充燃料；上層空腔再由-一電絕緣陶瓷分隔板 分隔為兩層，下層為燃料尾氣收集室；CMFC電池堆組放置在上層空腔中，它們沿殼體內(nèi) 壁排列，并使構(gòu)成陽極的多通道管管口朝下，電池堆組與殼體內(nèi)壁之間以及電池堆組頂 部與殼體內(nèi)頂面之間有用作空氣通道的縫隙，電池堆組各組之間采用導(dǎo)線實(shí)現(xiàn)電學(xué)連 接，并通過導(dǎo)線引到殼體外經(jīng)控制器轉(zhuǎn)換后與用戶的用電器連接；在電池堆組各組中間 設(shè)有一個(gè)上小下大的由耐火材料構(gòu)成的階梯筒形件，它支撐在電絕緣陶瓷分隔板上，其 下部的大空間用作加熱的燃燒室，其中還設(shè)有用來加熱空氣的熱交換器，該空氣熱交換 器的進(jìn)氣口伸到殼體外，冷空氣經(jīng)預(yù)熱后從上部輸送到CMFC電池堆的陰極外側(cè)空間，階 梯筒的上部引出殼體外作為尾氣排出通道，所述冷熱水交換管設(shè)置在該通道內(nèi)，其進(jìn)出 管均引出殼體外，用于供用戶熱水；所述電絕緣陶瓷分隔板固定在殼體內(nèi)壁上，該分隔 板的中部和周邊處均分布有通孔，其中部的孔在燃燒室范圍內(nèi)，構(gòu)成噴嘴形式，并在噴 嘴附近設(shè)有一電子點(diǎn)火器；周邊處孔分別與CMFC電池堆組中各單電池的多通道管管口對 應(yīng)，其中多通道的中心支管上安裝有電絕緣燃料導(dǎo)氣管，該導(dǎo)氣管的另一端穿過燃料尾 氣收集室和隔熱層進(jìn)入燃料供應(yīng)室；其余的支管通過電絕緣陶瓷分隔板上的孔與燃料尾 氣收集室連通，使燃料供應(yīng)室的燃料氣體經(jīng)電絕緣燃料導(dǎo)氣管進(jìn)入燃料電池的陽極室的 中心支管，然后流經(jīng)陽極室的其它支管，最后經(jīng)燃料尾氣收集室噴向燃料室經(jīng)電子點(diǎn)火 器點(diǎn)火燃燒。本實(shí)用新型所述的陶瓷膜燃料電池電一熱聯(lián)供裝置中，可設(shè)置一個(gè)現(xiàn)有技術(shù)中常用
的控制器，例如控制電路，用于控制電子點(diǎn)火器的啟動(dòng)和關(guān)閉，監(jiān)測CMFC電池堆、燃燒 室、空氣熱交換管、冷熱水交換管內(nèi)的溫度，控制系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)換及用戶用電量及生活熱 水的供應(yīng)量和熱水溫度等。本實(shí)用新型所述的陶瓷膜燃料電池電一熱聯(lián)供裝置，充分發(fā)揮和利用了 ZL02113198. 8所提供的多通道管狀陽極支撐結(jié)構(gòu)的CMFC單電池的先進(jìn)性，由于所述電池 堆排布在燃燒室外圍，輸送的燃料在燃燒室點(diǎn)燃后的熱輻射可以快速的加熱電池堆，同 時(shí)，經(jīng)燃燒室內(nèi)的熱交換器預(yù)熱的空氣進(jìn)入電池堆后也可以進(jìn)一步加熱電池堆，雙重加 熱可以使電池堆快速的加熱到工作溫度，從而使供電系統(tǒng)快速度啟動(dòng)；同時(shí)，在本裝置 中，經(jīng)電池堆發(fā)電后的燃料尾氣在燃燒室點(diǎn)燃后，除了用來預(yù)熱空氣外，排空之前的高 溫廢氣可通過熱交換器來提供生活熱水，然后再低溫排放到外環(huán)境，最大限度的利用燃 料的燃燒熱能，提高了燃能利用率。下面通過實(shí)施例及其附圖做進(jìn)一步描述。

圖l是本實(shí)用新型所述的陶瓷膜燃料電池電一熱聯(lián)供裝置的一種實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是圖1的B-B仰視圖。圖3是本實(shí)用新型所述的陶瓷膜燃料電池電一熱聯(lián)供裝置的一種控制器的電路實(shí)施例示意圖。
具體實(shí)施方式
參見圖1和圖2， 2是四方柱形外殼體，它由隔熱層9分隔為上、下兩層，下層為燃料 供應(yīng)室6，設(shè)有燃料進(jìn)入管道，用于供給燃料，5為其燃料進(jìn)口管。上層空腔再由一電絕 緣陶瓷分隔板8分隔為兩層，下層為燃料尾氣收集室10;兩組多通道管狀結(jié)構(gòu)的CMFC單 電池組成的CMFC電池堆組1放置在上層空腔中，它們沿殼體內(nèi)壁排列，并使構(gòu)成陽極的 多通道管管口朝下，電池堆組與殼體內(nèi)壁之間以及電池堆組頂部與殼體內(nèi)頂面之間有用 作空氣通道的縫隙，電池堆組各組之間電學(xué)連接，由電流引出器17引到殼體外后經(jīng)控制 器20轉(zhuǎn)換后與用戶電路連接；ll是用來固定電池堆的夾具。在電池堆組圍成的圈中間設(shè) 有一個(gè)上小下大的由耐火材料構(gòu)成的階梯筒件19，它支撐在電絕緣陶瓷分隔板8上，其 下部的大空間為燃燒室16， 4是放置在燃燒室上部的用來加熱空氣的熱交換器，該空氣
熱交換器的進(jìn)氣口3從其上部伸到殼體外，冷空氣經(jīng)預(yù)熱后從上部輸送到CMFC電池堆的 陰極外側(cè)空間。階梯筒件19的上部引出殼體外作為尾氣排出通道并經(jīng)排放管13排出，所 述冷熱水交換管12設(shè)置在該通道內(nèi)，其進(jìn)出水管14、 15均引出殼體外，用于供給用戶熱 水。所述電絕緣陶瓷分隔板8固定在殼體2的內(nèi)壁上，該分隔板的中部和周邊處均分布有 通孔，其中部的孔在燃燒室范圍內(nèi)，構(gòu)成噴嘴形式，在噴嘴口附近有一現(xiàn)有技術(shù)中的電 子點(diǎn)火器18;周邊處孔分別與CMFC電池堆上多通道管管口對應(yīng)，其中多通道的中心支管 上安裝有電絕緣燃料導(dǎo)氣管7，該導(dǎo)氣管7的另一端穿過燃料尾氣收集室10和隔熱層9進(jìn) 入燃料供應(yīng)室6，其余的支管通過電絕緣陶瓷分隔板8上的孔與燃料尾氣收集室10連通； 燃料供應(yīng)室的燃料氣體經(jīng)電絕緣燃料導(dǎo)氣管進(jìn)入燃料電池的陽極室，燃料尾氣再經(jīng)燃料 尾氣收集室噴向燃料室經(jīng)電子點(diǎn)火器18點(diǎn)火燃燒。圖l中實(shí)線箭頭指示空氣(氧化劑)流動(dòng)方向，虛線箭頭指示燃料氣流動(dòng)方向。圖2 中符號(hào)"X"和" "表示燃料的流動(dòng)方向，"X"表示由紙外向紙內(nèi)，" "表示山 紙內(nèi)向紙外。圖3中的圓點(diǎn)加上數(shù)字表示對數(shù)字所代表的系統(tǒng)部件的監(jiān)測。參見圖3，所述的控制器20包含有啟動(dòng)系統(tǒng)的蓄電池21，電子點(diǎn)火器18的啟動(dòng)和關(guān) 閉電路22， CMFC電池堆1、燃燒室16、空氣熱交換管4和冷熱水交換管12內(nèi)的溫度的監(jiān)測 電路23，系統(tǒng)輸出電到用戶用電器26的轉(zhuǎn)換器和用戶用電監(jiān)測器24，燃料、空氣、生活 用水的流量調(diào)節(jié)控制電路25及主控制器27。主控制器27用于程序設(shè)定并對系統(tǒng)工作狀態(tài) (包括系統(tǒng)工作的溫度，燃料、空氣和生活用水的流量，用戶的用電情況等)進(jìn)行監(jiān)測， 通過用戶用電量及生活熱水需求量和熱水溫度等反饋調(diào)節(jié)燃料和空氣的流量，并保證系 統(tǒng)在安全穩(wěn)定的條件下運(yùn)行。系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，通過控制器20程序啟動(dòng)燃料和空氣輸運(yùn)系統(tǒng)， 同時(shí)啟動(dòng)電子點(diǎn)火器18，當(dāng)燃料在燃燒室16內(nèi)開始燃燒時(shí)即可關(guān)閉電子點(diǎn)火器18; CMFC 電池堆系統(tǒng)1通過熱輻射及預(yù)熱空氣熱交換管4內(nèi)已預(yù)熱的空氣加熱，使之快速加熱到系 統(tǒng)工作溫度(600 800°C)并開始向外供電；CMFC電池堆系統(tǒng)的輸出電壓為24 32V， 額定輸出功率為2.5kW。本實(shí)施例的工作方式為燃料從系統(tǒng)的燃料進(jìn)口管5進(jìn)入燃料供應(yīng)室6，經(jīng)電絕緣燃 料導(dǎo)氣管7進(jìn)入燃料電池的陽極室，空氣從空氣進(jìn)口管3進(jìn)入燃燒室16中的空氣熱交換管 4，預(yù)熱后輸送到CMFC電池堆1的陰極側(cè)空間，與陽極側(cè)各通道中的燃料發(fā)生電化學(xué)反應(yīng) 輸出電能，從陽極各通道流出的未反應(yīng)的燃料氣，進(jìn)入燃料尾氣收集室IO，再通過電絕 緣陶瓷分隔板8上的噴嘴進(jìn)入燃燒室16，與從燃燒室16側(cè)面通氣孔進(jìn)入的空氣發(fā)生燃燒 反應(yīng)，產(chǎn)生的熱能對空氣熱交換管4中的空氣進(jìn)行預(yù)熱，溫度仍然較高的熱廢氣經(jīng)過階 梯筒件19的上部與冷熱水交換管12發(fā)生熱交換，進(jìn)-步降低溫度后進(jìn)入尾氣排放管]3 排空。本實(shí)施例中，所述四方柱形外殼體的橫截面為35X30cm2，高約為110cm，殼體內(nèi)有 約4cm的保溫層；所使用的燃料氣體是氫氣，氨氣，甲醇，甲烷或其它碳?xì)浠衔锶剂?氣，對于碳?xì)淙剂贤ǔＰ杓尤肷倭克?，使燃料在陽極室中重整為氫和一氧化碳，所述 的CMFC電池堆1是按照ZL02113198.8專利報(bào)道的方法制備的3通道管狀單電池組成的 CMFC電池堆組，單電池尺寸為3XlX85cm，每組電池堆由20根單電池組成；所述電絕緣 燃料導(dǎo)氣管為致密絕緣陶瓷管，長約12cni，其--端插入CMFC的多通道的中心支管約2cm 并通過陶瓷灌漿法使其密封。本實(shí)施例的CMFC電池堆系統(tǒng)的輸出電壓為24 32V，額定 輸出功率為2.5kW。
權(quán)利要求1.一種陶瓷膜燃料電池電—熱聯(lián)供裝置，包括多通道管狀結(jié)構(gòu)的CMFC單電池組成的CMFC電池堆組，以及由燃?xì)夤岬睦錈崴粨Q裝置，其特征在于，所述多通道管狀結(jié)構(gòu)的CMFC單電池組成的CMFC電池堆組和由燃?xì)夤岬睦錈崴h(huán)裝置均包容在一個(gè)帶有保溫層的柱形殼體中，該殼體內(nèi)腔由隔熱層分為兩層，下層為燃料供應(yīng)室，設(shè)有燃料進(jìn)入管道；上層空腔再由一電絕緣陶瓷分隔板分隔為兩層，下層為燃料尾氣收集室；CMFC電池堆組放置在上層空腔中，它們沿殼體內(nèi)壁排列，并使構(gòu)成陽極的多通道管管口朝下，電池堆組與殼體內(nèi)壁之間以及電池堆組頂部與殼體內(nèi)頂面之間有用作空氣通道的縫隙，電池堆組各組之間采用導(dǎo)線實(shí)現(xiàn)電學(xué)連接，并通過導(dǎo)線引到殼體外后經(jīng)控制器轉(zhuǎn)換后與用戶的用電器連接；在電池堆組各組中間設(shè)有一個(gè)上小下大的由耐火材料構(gòu)成的階梯筒形件，它支撐在電絕緣陶瓷分隔板上，其下部的大空間用作加熱的燃燒室，其中還設(shè)有用來加熱空氣的熱交換器，該空氣熱交換器的進(jìn)氣口伸到殼體外，冷空氣經(jīng)預(yù)熱后從上部輸送到CMFC電池堆的陰極外側(cè)空間，階梯筒的上部引出殼體外作為尾氣排出通道，所述冷熱水交換管設(shè)置在該通道內(nèi)，其進(jìn)出管均引出殼體外；所述電絕緣陶瓷分隔板固定在殼體內(nèi)壁上，該分隔板的中部和周邊處均分布有通孔，其中部的孔在燃燒室范圍內(nèi)，構(gòu)成噴嘴形式，并在噴嘴附近設(shè)有一電子點(diǎn)火器；周邊處孔分別與CMFC電池堆組中各單電池的多通道管管口對應(yīng)，其中多通道的中心支管上安裝有電絕緣燃料導(dǎo)氣管，該導(dǎo)氣管的另一端穿過燃料尾氣收集室和隔熱層進(jìn)入燃料供應(yīng)室；其余的支管通過電絕緣陶瓷分隔板上的孔與燃料尾氣收集室連通。
專利摘要本實(shí)用新型屬于燃料電池領(lǐng)域，特別涉及陶瓷膜燃料電池的應(yīng)用技術(shù)。該裝置將多通道管狀結(jié)構(gòu)的CMFC單電池組成的CMFC電池堆組冷熱水循環(huán)裝置容置在一個(gè)帶有保溫層的柱形殼體中，該殼體下層為燃料供應(yīng)室，上層空腔由電絕緣陶瓷分隔板分隔為兩層，下層為燃料尾氣收集室；CMFC電池堆組放置在上層空腔中。燃料氣體經(jīng)電絕緣燃料導(dǎo)氣管進(jìn)入陽極室的中心支管，然后流經(jīng)其它支管，最后經(jīng)燃料尾氣收集室噴向燃料室點(diǎn)火燃燒。在電池堆組中間有階梯筒形件，其下部為燃燒室，其中設(shè)有空氣熱交換器，階梯筒的上部為尾氣排出通道，冷熱水交換管設(shè)置在該通道內(nèi)，供用戶熱水。燃料在燃燒室點(diǎn)燃后的熱輻射快速的加熱電池堆，同時(shí)預(yù)熱的空氣也進(jìn)一步加熱電池堆，使供電系統(tǒng)快速度啟動(dòng)，提高了燃能利用率。
文檔編號(hào)H01M8/06GK201048144SQ20072003564
公開日2008年4月16日 申請日期2007年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月23日
發(fā)明者劉銘飛, 孟廣耀 申請人:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)