專利名稱：一種便攜式固體氧化物燃料電池的發(fā)電裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種發(fā)電裝置，尤其涉及一種便攜式固體氧化物燃料電池的發(fā)電裝置。
背景技術(shù)：
便攜式電源指功率范圍在1 1000W、個人可以方便地攜帶或移動的電源。百瓦 級便攜式電源可以用作電動自行車、展覽演示用電源、單兵電源、小型服務(wù)器、終端、微機的 不間斷動力源；十瓦級便攜式電源可用作筆記本電腦、應(yīng)急作業(yè)燈、警用裝備等電源；而瓦 級小型便攜式電源可用于手機，掌上電腦等。傳統(tǒng)的便攜式電源通常采用鉛酸電池、鎳氫電 池、鋰離子電池等。這些電源均為儲能裝置，能量密度低，需要長時間充電，還存在污染環(huán)境 等問題。隨著人們生活水平的提高，手機、數(shù)碼相機、錄音機、游戲機、掌上電腦等電子產(chǎn)品 迅猛發(fā)展，對電源的能量密度和使用便捷性的要求越來越高。傳統(tǒng)的電池已經(jīng)遠遠不能勝 任這些便攜式電子產(chǎn)品發(fā)展的要求，對高性能的新型電源的需求越來越迫切。
燃料電池是一種將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能的電化學(xué)裝置，它不同于傳統(tǒng)的 二次電池，不需要外電源充電，只要提供合適的燃料，就能源源不斷地輸出電能。燃料電池 的效率不受熱機卡諾定理限制，能量轉(zhuǎn)換效率高，待機時間長，在便攜式電源方面的應(yīng)用有 很大的潛力，可望代替?zhèn)鹘y(tǒng)的便攜式電源。在針對便攜式應(yīng)用的燃料電池中，研究得最多的 是直接甲醇燃料電池(direct methanol fuel eel 1，DMFC)和質(zhì)子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)。之所以首先考慮到DMFC和PEMFC用作便攜式電 源，是因為它們具有工作溫度低的特點。DMFC采用質(zhì)子交換膜電解質(zhì)，直接使用甲醇燃料， 催化劑中毒和甲醇透過電解質(zhì)膜是困擾DMFC使用的最大問題。PEMFC需要采用高純氫氣作 燃料，不僅成本高，而且還存在儲存和運輸?shù)膯栴}；此外，PEMFC中水的管理也比較困難。
固體氧化物燃料電池(solid oxide fuel cell, SOFC)恰恰能夠彌補上述不足。 因此，近幾年SOFC在便攜式應(yīng)用方面的研究受到越來越多的重視和關(guān)注。固體氧化物燃料 電池主要由陰極、陽極和電解質(zhì)組成，其中，電解質(zhì)位于陽極和陰極之間。在運行過程中， 向陽極和陰極分別送入還原、氧化氣體后，氧氣在多孔的陰極上發(fā)生還原反應(yīng)，生成氧負離 子。氧負離子在電解質(zhì)中通過氧離子空位和氧離子之間的換位躍遷達到陽極，然后與燃料 反應(yīng)，生成^0和0)2，因而形成了帶電離子的定向流動。通過負載輸出電能，化學(xué)能就轉(zhuǎn)變 成電能。具體參考圖1所示，固體氧化物燃料電池由陰極la，電解質(zhì)2a和陽極3a構(gòu)成，其 中陰極la端通入空氣，或者純氧，陽極3a端通入燃料氣，一般燃料氣主要由C0和H2構(gòu)成， 也有可能是C仏，H2，C0，其中任何一種單一氣體或者其中兩種或兩種以上的混合氣體。 一般 陽極3a發(fā)生如下電化學(xué)反應(yīng)C0+02— — C02+2e—， H2+02— — H20+2e—，當有CH4存在也有可能發(fā) 生如下反應(yīng)CH4+402—— 2H20+C02+8e—。上述電化學(xué)反應(yīng)主要產(chǎn)生游離電子。 一般陰極la發(fā) 生如下電化學(xué)反應(yīng)02+4e— — 202—，該過程主要是02獲得電子生成02—。生成的02—穿過電解 質(zhì)2a到達陽極3a。這樣就形成了完整的電流回路，游離電子在經(jīng)過外部電路后，即將化學(xué) 能轉(zhuǎn)化為電能被用電設(shè)備所利用。 一般單個固體氧化物燃料電池的工作電壓在O. 7V左右，電流達到幾十安培，為滿足實際需要將多個固體氧化物燃料電池以串聯(lián)的方式提高輸出功 率。單體固體氧化物燃料電池可以片狀、管狀、或者其他管狀或者片狀異化后的形狀。公開 的文獻如專利號為ZL200510016701. 5的中國發(fā)明專利《模塊式管狀固體氧化物燃料電池 發(fā)電系統(tǒng)》(授權(quán)公告號CN1674344C)，類似的還可以參考CN1809938A、 CN101164188A等。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對上述的技術(shù)現(xiàn)狀而提供一種安全、環(huán)保、可靠 性佳且內(nèi)部結(jié)構(gòu)合理布置的便攜式固體氧化物燃料電池的發(fā)電裝置。 本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為一種便攜式固體氧化物燃料電池 的發(fā)電裝置，其特征在于該裝置包括殼體及位于該殼體內(nèi)的燃料罐、燃料計量泵、蒸發(fā)器、 重整器、第一氣體計量泵、第二氣體計量泵、第三氣體計量泵、熱交換器、尾氣燃燒器、電流 調(diào)制輸出模塊、保溫層、固體氧化物燃料電池堆， 燃料罐中的碳氫燃料通過燃料計量泵泵入蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器的加熱下泵入的碳氫 燃料變成氣態(tài)并且預(yù)熱到一定溫度，進入重整器，空氣或純氧通過第一氣體計量泵泵入催 化部分重整器，在重整器中與碳氫燃料發(fā)生催化反應(yīng)生成以^， CO為主要成分，含有少量 0)2，1120的碳氫燃料氣的混合燃料氣體，將重整器所產(chǎn)生的混合燃料氣通入到固體氧化物燃 料電池堆的陽極，而空氣或純氧通過另一路的第二氣體計量泵泵入熱交換器7，通過熱交換 器7預(yù)熱后進入固體氧化物燃料電池堆的陰極，在固體氧化物燃料電池堆中，空氣或純氧 和燃料混合氣發(fā)生了電化學(xué)反應(yīng)輸出了直流電，在固體氧化物燃料電池堆的電流正負極輸 出端連接有一用于調(diào)制輸出電流的電流調(diào)制模塊，混合燃料氣體在經(jīng)過固體氧化物燃料電 池堆后所產(chǎn)生的陽極尾氣主要是0)2， H^，少量含有C0， H2的混合氣，將陽極尾氣和陰極尾 氣通入到尾氣燃燒器中，同時通過第三氣體計量泵向尾氣燃燒器泵入空氣或純氧，將尾氣 中少量存在的可燃氣體化學(xué)能轉(zhuǎn)化成熱能，尾氣燃燒器排出的高溫氣體含有熱能，通過熱 交換器將熱能回收后排空。 所述燃料罐內(nèi)的碳氫燃料可以為烷烴、液化石油氣、煤氣、煤油、柴油、汽油中的至 少一種。 所述的重整器填充有催化部分氧化重整催化劑。 固體氧化物燃料電池堆可以為管式單電池搭建而成，或由平板式單電池搭建而 成，又或由異型單電池搭建而成。 所述的尾氣燃燒器可以為直接火焰燃燒器，或為通過催化反應(yīng)實現(xiàn)的具有燃燒催 化劑的燃燒器。 所述的電流調(diào)制模塊輸出電流可以為DC5V、 DC12V、 DC24V、 AC110V60Hz或 AC220V50Hz。 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于能夠使用各類碳氫化合物作為燃料，對燃料 性質(zhì)不敏感，效率和能量密度高，安全、環(huán)保、可靠性佳，內(nèi)部結(jié)構(gòu)合理布置，可以廣泛用于 電池充電器，士兵作戰(zhàn)電源，野外徒步旅行電源，應(yīng)急電源等各類場合。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)中固體氧化物燃料電池的工作原理圖。
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圖2為實施例結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖實施例對本發(fā)明作進一步詳細描述。 實施例參考圖2所示，本實施例中的便攜式固體氧化物燃料電池的發(fā)電裝置包 括殼體102及位于該殼體102內(nèi)的重整器4、固體氧化物燃料電池堆1、保溫層101、蒸發(fā)器 3、尾氣燃燒器8、燃料計量泵2、第一氣體計量泵5、第二氣體計量泵6、第三氣體計量泵9及 熱交換器7，蒸發(fā)器3用于將碳氫化合物燃料轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，并加熱到一定溫度，燃料罐100與 蒸發(fā)器3連接，提供碳氫燃料，重整器4、固體氧化物燃料電池堆1、蒸發(fā)器3、尾氣燃燒器8 及熱交換器7均位于保溫層101內(nèi)。 燃料罐100中的碳氫燃料通過燃料計量泵2泵入蒸發(fā)器3，在蒸發(fā)器3的加熱下 泵入的碳氫燃料變成氣態(tài)并且預(yù)熱到一定溫度，進入重整器4，空氣通過第一氣體計量泵5 泵入催化部分氧化重整器4，在重整器4中與碳氫燃料發(fā)生催化反應(yīng)生成以H2， CO為主要成 分，含有少量C02， H20的碳氫燃料氣的混合燃料氣體，將重整器4所產(chǎn)生的混合燃料氣通入 到固體氧化物燃料電池堆的陽極13，而空氣通過另一路的第二氣體計量泵6泵入熱交換器 7，通過熱交換器7預(yù)熱后進入固體氧化物燃料電池堆的陰極14，在固體氧化物燃料電池堆 1中，空氣和燃料混合氣發(fā)生了電化學(xué)反應(yīng)輸出了直流電，在固體氧化物燃料電池堆1的電 流正負極輸出端連接有一用于調(diào)制輸出電流的電流調(diào)制模塊10，混合燃料氣體在經(jīng)過固體 氧化物燃料電池堆1后所產(chǎn)生的陽極尾氣主要是(A， H^，少量含有C0， H2的混合氣，空氣 在經(jīng)過固體氧化物燃料電池堆1后所產(chǎn)生的陰極尾氣主要是K，含有少量的02， C02的混合 氣，將陽極尾氣和陰極尾氣通入到尾氣燃燒器8中，同時通過第三氣體計量泵9向尾氣燃燒 器8泵入空氣，將尾氣中少量存在的可燃氣體化學(xué)能轉(zhuǎn)化成熱能，尾氣燃燒器8排出的高溫 氣體含有熱能，通過熱交換器7將熱能回收后排空。 燃料罐100內(nèi)的碳氫燃料可以是烷烴、液化石油氣、煤氣、煤油、柴油、汽油。
重整器4填充有催化部分氧化重整催化劑。 尾氣燃燒器8為直接火焰燃燒器或為通過催化反應(yīng)實現(xiàn)的具有燃燒催化劑的燃燒為。 電流調(diào)制模塊10可以滿足各種客戶的需要，輸出電流可以是DC5V、DC12V、DC24V、 AC110V60Hz和AC220V50Hz。本實施例中的固體氧化物燃料電池堆1可以是由平板式單電 池或者管式單電池或者其他異形單電池通過串聯(lián)方式獲得。 在整個發(fā)電系統(tǒng)中熱交換器7、蒸發(fā)器3、重整器4、尾氣燃燒器8、固體氧化物燃料 電池堆1四個部分構(gòu)成了熱區(qū)，熱區(qū)內(nèi)的溫度達到30(TC以上，熱區(qū)的外圍通過保溫層101 與外界隔絕，防止發(fā)生大量熱損失。
權(quán)利要求
一種便攜式固體氧化物燃料電池的發(fā)電裝置，其特征在于該裝置包括殼體及位于該殼體內(nèi)的燃料罐、燃料計量泵、蒸發(fā)器、重整器、第一氣體計量泵、第二氣體計量泵、第三氣體計量泵、熱交換器、尾氣燃燒器、電流調(diào)制輸出模塊、保溫層、固體氧化物燃料電池堆，燃料罐中的碳氫燃料通過燃料計量泵泵入蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器的加熱下泵入的碳氫燃料變成氣態(tài)并且預(yù)熱到一定溫度，進入重整器，空氣或純氧通過第一氣體計量泵泵入催化部分氧化重整器，在重整器中與碳氫燃料發(fā)生催化反應(yīng)生成以H2，CO為主要成分，含有少量CO2，H2O的碳氫燃料氣的混合燃料氣體，將重整器所產(chǎn)生的混合燃料氣通入到固體氧化物燃料電池堆的陽極，而空氣或純氧通過另一路的第二氣體計量泵泵入熱交換器7，通過熱交換器7預(yù)熱后進入固體氧化物燃料電池堆的陰極，在固體氧化物燃料電池堆中，空氣或純氧和燃料混合氣發(fā)生了電化學(xué)反應(yīng)輸出了直流電，在固體氧化物燃料電池堆的電流正負極輸出端連接有一用于調(diào)制輸出電流的電流調(diào)制模塊，混合燃料氣體在經(jīng)過固體氧化物燃料電池堆后所產(chǎn)生的陽極尾氣主要是CO2，H2O，少量含有CO，H2的混合氣，將陽極尾氣和陰極尾氣通入到尾氣燃燒器中，同時通過第三氣體計量泵向尾氣燃燒器泵入空氣或純氧，將尾氣中少量存在的可燃氣體化學(xué)能轉(zhuǎn)化成熱能，尾氣燃燒器排出的高溫氣體含有熱能，通過熱交換器將熱能回收后排空。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的便攜式固體氧化物燃料電池的發(fā)電裝置，其特征在于所述燃 料罐內(nèi)的碳氫燃料為烷烴、液化石油氣、煤氣、煤油、柴油、汽油中的至少一種。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的便攜式固體氧化物燃料電池的發(fā)電裝置，其特征在于所述的 重整器填充有催化部分氧化重整催化劑。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的便攜式固體氧化物燃料電池的發(fā)電裝置，其特征在于所述的 固體氧化物燃料電池堆為管式單電池搭建而成，或由平板式單電池搭建而成，又或由異型 單電池搭建而成。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的便攜式固體氧化物燃料電池的發(fā)電裝置，其特征在于所述的 尾氣燃燒器為直接火焰燃燒器或為通過催化反應(yīng)實現(xiàn)的具有燃燒催化劑的燃燒器。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的便攜式固體氧化物燃料電池的發(fā)電裝置，其特征在于所述的 電流調(diào)制模土央輸出電流為DC5V、DC12V、DC24V、AC110V60Hz或AC220V50Hz。
全文摘要
一種便攜式固體氧化物燃料電池的發(fā)電裝置，其特征在于該裝置包括殼體及位于該殼體內(nèi)的燃料罐、燃料計量泵、蒸發(fā)器、重整器、第一氣體計量泵、第二氣體計量泵、第三氣體計量泵、熱交換器、尾氣燃燒器、電流調(diào)制輸出模塊、保溫層、固體氧化物燃料電池堆。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于能夠使用各類碳氫化合物作為燃料，對燃料性質(zhì)不敏感，效率和能量密度高，安全、環(huán)保、可靠性佳，內(nèi)部結(jié)構(gòu)合理布置，可以廣泛用于電池充電器，士兵作戰(zhàn)電源，野外徒步旅行電源，應(yīng)急電源等各類場合。
文檔編號H01M8/10GK101771161SQ20081016395
公開日2010年7月7日 申請日期2008年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月29日
發(fā)明者劉凱, 沈圣成, 王蔚國, 程宏輝 申請人:中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所