一种废气再循环的直接碳固体氧化物燃料电池结构

摘要

本发明公开一种废气再循环的直接碳固体氧化物燃料电池结构，包括保温外壳和内部电极；内部电极位于保温外壳内，内部电极包括电池板、阴极柱和阳极柱，电池板包括阳极板、阴极板和电解质板，阳极柱和阴极柱分别穿出保温外壳；保温外壳内设有第一多孔板和第二多孔板，第一多孔板位于电池板的上方，第二多孔板位于电池板的下方，电池板呈波浪状，保温外壳、第一多孔板和第二多孔板共同围设电池板形成间隔设置的阳极腔和阴极腔，第一多孔板和第二多孔板分别对应阳极腔和阴阳腔间隔设置多个通孔，每个通孔与阳极腔或阴极腔连通，第一多孔板和第二多孔板上分别设有自动回位机构，自动回位机构用以使阳极腔和阴极腔中的一者与外界连通，另一者封闭。

权利要求

1.一种废气再循环的直接碳固体氧化物燃料电池结构，其特征在于，包括保温外壳和内部电极；

所述内部电极位于保温外壳内，内部电极包括电池板、阴极柱和阳极柱，电池板包括阳极板、阴极板和电解质板，阳极板包括第一面和第二面，阴极板包括第三面和第四面，电解质板包括第五面和第六面，第一面与第五面贴合，第三面与第六面贴合，阴极柱与阴极板和电解质板共同连接，阳极柱与阳极板和电解质板共同连接，阳极柱和阴极柱分别穿出保温外壳；

保温外壳内设有第一多孔板和第二多孔板，第一多孔板位于电池板的上方，第二多孔板位于电池板的下方，电池板呈波浪状，保温外壳、第一多孔板和第二多孔板共同围设电池板形成间隔设置的阳极腔和阴极腔，第一多孔板和第二多孔板分别对应阳极腔和阴阳腔间隔设置多个通孔，每个通孔与阳极腔或阴极腔连通，第一多孔板和第二多孔板上分别设有自动回位机构，自动回位机构用以使阳极腔和阴极腔中的一者与外界连通，另一者封闭，实现添加碳燃料或排出废料。

2.根据权利要求1所述的废气再循环的直接碳固体氧化物燃料电池结构，其特征在于，所述自动回位机构包括拉板和拉伸弹簧，保温外壳上设有活动槽，活动槽的尺寸与拉板的尺寸匹配，拉板可沿活动槽伸出保温外壳，拉板上设有限位块，限位块的尺寸大于活动槽，限位块位于保温外壳内，拉伸弹簧的一端与保温外壳的内壁连接，另一端与限位块连接，拉板上间隔设置多个对位孔，拉动拉板直至限位块抵接保温外壳的内壁，此时对位孔与阳极腔连通，拉板封闭阴极腔，可添加碳燃料，松开拉板，在拉伸弹簧的作用力，拉板回位，此时对位孔与阴极腔连通，拉板封闭阳极腔。

3.根据权利要求2所述的废气再循环的直接碳固体氧化物燃料电池结构，其特征在于，所述保温外壳的内壁和限位块上分别设有挂钩，拉伸弹簧的两端分别与挂钩连接。

4.根据权利要求2所述的废气再循环的直接碳固体氧化物燃料电池结构，其特征在于，所述拉板与第一多孔板或第二多孔板接触的板面粘结有石英棉。

5.根据权利要求2所述的废气再循环的直接碳固体氧化物燃料电池结构，其特征在于，所述拉板的端部设有把手，把手位于保温外壳外，把手的尺寸大于活动槽的尺寸。

6.根据权利要求1所述的废气再循环的直接碳固体氧化物燃料电池结构，其特征在于，还包括气体循环装置，气体循环装置包括储气箱、进气歧管和排气歧管，进气歧管和排气歧管的总管均与储气箱连接，进气歧管和排气歧管的分管分别穿过保温外壳与阳极腔连通，进气歧管的总管上设有单向进气阀，排气歧管的总管上设有单向排气阀和手动阀门，储气箱上设有泄压阀。

7.根据权利要求1所述的废气再循环的直接碳固体氧化物燃料电池结构，其特征在于，所述保温外壳的内壁设有承载凸缘，第一多孔板和第二多孔板分别放置于承载凸缘上。

8.根据权利要求1所述的废气再循环的直接碳固体氧化物燃料电池结构，其特征在于，所述阳极板、阴极板和电解质板分别通过银浆与保温外壳、第一多孔板和第二多孔板密封连接，阴极柱和阳极柱均为银浆形成。

9.根据权利要求8所述的废气再循环的直接碳固体氧化物燃料电池结构，其特征在于，所述阳极板和阴极板的端部在竖直方向和水平方向上部分错开设置，使得阳极板的端部和阴极板的端部不共面。

10.根据权利要求1所述的废气再循环的直接碳固体氧化物燃料电池结构，其特征在于，所述第一多孔板和第二多孔板均采用绝缘陶瓷材料制成。

说明书

一种废气再循环的直接碳固体氧化物燃料电池结构

技术领域

[0001] 本发明涉及固体氧化物燃料电池技术领域，特别涉及一种废气再循环的直接碳固体氧化物燃料电池结构。

背景技术

[0002] 固体氧化物燃料电池(SOFC)属于第三代燃料电池，是一种可将燃料中的化学能高效清洁的转化为电能的全固态化学发电装置。通常由负责传导氧离子隔绝两级反应物的致密电解质和分别对燃料和氧化剂有电催化作用的多孔阳极和阴极组成，其运行温度范围为600至1000℃，具有燃料使用范围广、燃料利用率高等优点。SOFC分为管式和平板式电池结构，管式SOFC结构坚固，密封性较好，但是集流路径长、能量密度低；平板式SOFC设计简单，能量密度高，但是难于实现高温密封。由于平板式结构难于添加固体燃料以及燃料废物的排出，所以目前平板式SOFC仍以气体燃料为主，如氢气和甲烷。氢气是SOFC使用最普遍的燃料，但氢气是一种二次能源，不能从自然界中直接获得，制备成本高、体积能量密度低、储存运输安全性差等问题。而如甲烷之类的碳氢燃料又会带来积碳的风险。相反，固体碳燃料不存在上述问题，其被认为是可以替代氢气的安全性燃料。同时，固体碳还具有能量密度高、价格低廉、来源广泛等优点，而且没有储存和运输的安全问题。

发明内容

[0003] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种废气再循环的直接碳固体氧化物燃料电池结构，解决平板式固体氧化物燃料电池碳燃料的难以填装和排出的问题。同时本发明还设计了反应后气体的回收再利用装置，解决现有直接碳固体氧化物燃料电池生成的CO、CO2尤其是CO直接排入空气造成燃料浪费的问题。

[0004] 本发明的技术方案为：一种废气再循环的直接碳固体氧化物燃料电池结构，包括保温外壳和内部电极；

[0005] 所述内部电极位于保温外壳内，内部电极包括电池板、阴极柱和阳极柱，电池板包括阳极板、阴极板和电解质板，阳极板包括第一面和第二面，阴极板包括第三面和第四面，电解质板包括第五面和第六面，第一面与第五面贴合，第三面与第六面贴合，阴极柱与阴极板和电解质板共同连接，阳极柱与阳极板和电解质板共同连接，阳极柱和阴极柱分别穿出保温外壳；

[0006] 保温外壳内设有第一多孔板和第二多孔板，第一多孔板位于电池板的上方，第二多孔板位于电池板的下方，电池板呈波浪状，保温外壳、第一多孔板和第二多孔板共同围设电池板形成间隔设置的阳极腔和阴极腔，第一多孔板和第二多孔板分别对应阳极腔和阴阳腔间隔设置多个通孔，每个通孔与阳极腔或阴极腔连通，第一多孔板和第二多孔板上分别设有自动回位机构，自动回位机构用以使阳极腔和阴极腔中的一者与外界连通，另一者封闭，实现添加碳燃料或排出废料。

[0007] 进一步，所述自动回位机构包括拉板和拉伸弹簧，保温外壳上设有活动槽，活动槽的尺寸与拉板的尺寸匹配，拉板可沿活动槽伸出保温外壳，拉板上设有限位块，限位块的尺寸大于活动槽，限位块位于保温外壳内，拉伸弹簧的一端与保温外壳的内壁连接，另一端与限位块连接，拉板上间隔设置多个对位孔，拉动拉板直至限位块抵接保温外壳的内壁，此时对位孔与阳极腔连通，拉板封闭阴极腔，可添加碳燃料，松开拉板，在拉伸弹簧的作用力，拉板回位，此时对位孔与阴极腔连通，拉板封闭阳极腔。通过设置限位块，使得拉板在完全拉出时，对位孔与阳极腔的相对应，达到添加碳燃料和排出废料的作用，当填料完成后，拉伸弹簧辅助拉板复位，封闭阳极腔。

[0008] 进一步，所述保温外壳的内壁和限位块上分别设有挂钩，拉伸弹簧的两端分别与挂钩连接。

[0009] 进一步，所述拉板与第一多孔板或第二多孔板接触的板面粘结有石英棉，通过设置石英棉，进一步保证密封性能。

[0010] 进一步，所述拉板的端部设有把手，把手位于保温外壳外，把手的尺寸大于活动槽的尺寸。

[0011] 进一步，还包括气体循环装置，气体循环装置包括储气箱、进气歧管和排气歧管，进气歧管和排气歧管的总管均与储气箱连接，进气歧管和排气歧管的分管分别穿过保温外壳与阳极腔连通，进气歧管的总管上设有单向进气阀，排气歧管的总管上设有单向排气阀和手动阀门，储气箱上设有泄压阀。

[0012] 进一步，所述保温外壳的内壁设有承载凸缘，第一多孔板和第二多孔板分别放置于承载凸缘上。

[0013] 进一步，所述阳极板、阴极板和电解质板分别通过银浆与保温外壳、第一多孔板和第二多孔板密封连接，阴极柱和阳极柱均为银浆形成。采用银浆作为封接剂，达到高温密封要求的同时还可以用来收集电流。

[0014] 进一步，所述阳极板和阴极板的端部在竖直方向和水平方向上部分错开设置，使得阳极板的端部和阴极板的端部不共面，防止阳极板和阴极板通过银浆连接造成短路。

[0015] 进一步，所述第一多孔板和第二多孔板均采用绝缘陶瓷材料制成。

[0016] 上述废气再循环的直接碳固体氧化物燃料电池结构的工作方法，包括以下步骤：

[0017] 步骤S1：操作第一多孔板上的自动回位机构，使得阳极腔与外界连通，此时阴极腔封闭，将固体碳燃料由通孔填入阳极腔内后，自动回位机构复位，使得阳极腔封闭，阴极腔与外界连通，完成填料；

[0018] 步骤S2：当温度达到工作温度时，电池结构开始工作，阳极腔内产生CO和CO2气压变大，当气压值超过单向进气阀的压力极限时，单向进气阀打开，CO和CO2气体通过进气歧管由阳极腔进入储气箱内，随着反应进行，气压继续增大，为了防止气压过大破坏电池结构，当气压值超过泄压阀的极限值时泄压阀打开保持内部气压稳定；

[0019] 步骤S3：第一次反应结束后，在手动阀门关闭状态下拉开操作第二多孔板上的自动回位机构，使得阳极腔与外界连通，阴极腔封闭，排除阳极腔中的废料，同时气压降低至等于大气压，自动回位机构复位，使得阴极腔与外界连通，阳极腔封闭，排料完成；

[0020] 步骤S4：再重复步骤S1进行填料，填料完成进行第二次反应时，打开手动阀门，此时储气箱内的气压大于阳极腔内的气压，储气箱内的CO和CO2气体通过单向排气阀和排气歧管进入阳极腔，阳极腔内CO浓度上升迅速参与反应，电池结构启动加快，CO2则与固体碳反应生成CO，阳极腔内CO浓度进一步上升，当阳极腔内气压超过单向进气阀极限压力时，阳极腔内CO和CO2气体再次流入储气箱内为下一次循环做准备。

[0021] 本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：

[0022] 本发明的废气再循环的直接碳固体氧化物燃料电池结构，通过将电池板设置呈波浪状，保温外壳、第一多孔板和第二多孔板共同围设电池板形成间隔设置的阳极腔和阴极腔，再经过操作自动回位机构，可以满足固体氧化物燃料电池阳极腔内添加燃料和排出反应后的废料。

[0023] 本发明的废气再循环的直接碳固体氧化物燃料电池结构，通过设置气体循环装置，对直接碳固体氧化物燃料电池反应产生的气体进行了收集再利用，提高了燃料的利用，加快了直接碳固体氧化物电池的启动。

[0024] 本发明的废气再循环的直接碳固体氧化物燃料电池结构，采用银浆作为电池板的封接剂和导电线路并在壳体外部形成电极极柱，简化了电荷收集。

附图说明

[0025] 图1为本发明的废气再循环的直接碳固体氧化物燃料电池结构和气体循环装置的装配结构示意图。

[0026] 图2为本发明的废气再循环的直接碳固体氧化物燃料电池结构的正视图。

[0027] 图3为图2沿A‑A线的剖视图。

[0028] 图4为本发明的废气再循环的直接碳固体氧化物燃料电池结构的俯视图。

[0029] 图5为图4沿B‑B线的剖视图。

[0030] 图6为本发明的内部电极与第一多孔板和第二多孔板的装配示意图。

[0031] 图7为本发明的自动回位机构的结构示意图。

[0032] 图8为本发明的废气再循环的直接碳固体氧化物燃料电池结构的填料示意图。

[0033] 保温外壳1、第一多孔板11、第二多孔板12、通孔13、阳极柱21、阴极柱22、阳极板23、阴极板24、电解质板25、阳极腔26、阴极腔27、拉板31、拉伸弹簧32、限位块33、对位孔34、把手35、储气箱41、进气歧管42、排气歧管43、单向进气阀44、单向排气阀45、手动阀门46、泄压阀47。

具体实施方式

[0034] 下面结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

[0035] 实施例

[0036] 如图1所示，本实施例提供了一种废气再循环的直接碳固体氧化物燃料电池结构，包括保温外壳1、内部电极和气体循环装置。

[0037] 如图2和图3所示，内部电极位于保温外壳内，保温外壳上设有阳极孔和阴极孔，内部电极包括电池板、阳极柱21和阴极柱22，电池板包括阳极板23、阴极板24和电解质板25，阳极板包括第一面和第二面，阴极板包括第三面和第四面，电解质板包括第五面和第六面，第一面与第五面贴合，第三面与第六面贴合，阴极柱与阴极板和电解质板共同连接，阳极柱与阳极板和电解质板共同连接，阳极柱和阴极柱分别通过阳极孔和阴极孔穿出保温外壳。

[0038] 如图4、图5和图6所示，保温外壳内设有第一多孔板11和第二多孔板12，第一多孔板和第二多孔板均采用绝缘陶瓷材料制成，保温外壳的内壁设有承载凸缘，第一多孔板和第二多孔板分别放置于承载凸缘上，第一多孔板位于电池板的上方，第二多孔板位于电池板的下方，电池板呈波浪状，阳极板、阴极板和电解质板分别通过银浆与保温外壳、第一多孔板和第二多孔板密封连接，阴极柱和阳极柱均为银浆形成。采用银浆作为封接剂，达到高温密封要求的同时还可以用来收集电流，银浆还作为导电线路，最后在保温外壳的阴极孔和阳极孔处形成阴极柱和阳极柱。所述阳极板和阴极板的端部在竖直方向和水平方向上部分错开设置，使得阳极板的端部和阴极板的端部不共面，防止阳极板和阴极板通过银浆连接造成短路。保温外壳、第一多孔板和第二多孔板共同围设电池板形成间隔设置的阳极腔26和阴极腔27，第一多孔板和第二多孔板分别对应阳极腔和阴阳腔间隔设置多个通孔13，每个通孔与阳极腔或阴极腔连通，第一多孔板和第二多孔板上分别设有自动回位机构，自动回位机构用以使阳极腔和阴极腔中的一者与外界连通，另一者封闭，实现添加碳燃料或排出废料。

[0039] 如图7和图8所示，在本实施例中，自动回位机构包括拉板31和拉伸弹簧32，保温外壳上设有活动槽，活动槽的尺寸与拉板的尺寸匹配，拉板可沿活动槽伸出保温外壳，拉板上设有限位块33，限位块的尺寸大于活动槽，限位块位于保温外壳内，保温外壳的内壁和限位块上分别设有挂钩，拉伸弹簧的两端分别与挂钩连接。拉板上间隔设置多个对位孔34，拉板与第一多孔板或第二多孔板接触的板面粘结有石英棉，通过设置石英棉，进一步保证密封性能；拉板的端部设有把手35，把手位于保温外壳外，把手的尺寸大于活动槽的尺寸；拉动拉板直至限位块抵接保温外壳的内壁，此时对位孔与阳极腔连通，拉板封闭阴极腔，可添加碳燃料，松开拉板，在拉伸弹簧的作用力，拉板回位，此时对位孔与阴极腔连通，拉板封闭阳极腔。通过设置限位块，使得拉板在完全拉出时，对位孔与阳极腔的相对应，达到添加碳燃料和排出废料的作用，当填料完成后，拉伸弹簧辅助拉板复位，封闭阳极腔。

[0040] 如图1所示，气体循环装置包括储气箱41、进气歧管42和排气歧管43，进气歧管和排气歧管的总管均与储气箱连接，进气歧管和排气歧管的分管分别穿过保温外壳与阳极腔连通，进气歧管的总管上设有单向进气阀44，排气歧管的总管上设有单向排气阀45和手动阀门46，储气箱上设有泄压阀47。

[0041] 上述废气再循环的直接碳固体氧化物燃料电池结构的工作方法，包括以下步骤：

[0042] 步骤S1：操作第一多孔板上的自动回位机构，使得阳极腔与外界连通，此时阴极腔封闭，将固体碳燃料由通孔填入阳极腔内后，自动回位机构复位，使得阳极腔封闭，阴极腔与外界连通，完成填料；

[0043] 步骤S2：当温度达到工作温度时，电池结构开始工作，阳极腔内产生CO和CO2气压变大，当气压值超过单向进气阀的压力极限时，单向进气阀打开，CO和CO2气体通过进气歧管由阳极腔进入储气箱内，随着反应进行，气压继续增大，为了防止气压过大破坏电池结构，当气压值超过泄压阀的极限值时泄压阀打开保持内部气压稳定；

[0044] 步骤S3：第一次反应结束后，在手动阀门关闭状态下拉开操作第二多孔板上的自动回位机构，使得阳极腔与外界连通，阴极腔封闭，排除阳极腔中的废料，同时气压降低至等于大气压，自动回位机构复位，使得阴极腔与外界连通，阳极腔封闭，排料完成；

[0045] 步骤S4：再重复步骤S1进行填料，填料完成进行第二次反应时，打开手动阀门，此时储气箱内的气压大于阳极腔内的气压，储气箱内的CO和CO2气体通过单向排气阀和排气歧管进入阳极腔，阳极腔内CO浓度上升迅速参与反应，电池结构启动加快，CO2则与固体碳反应生成CO，阳极腔内CO浓度进一步上升，当阳极腔内气压超过单向进气阀极限压力时，阳极腔内CO和CO2气体再次流入储气箱内为下一次循环做准备。

[0046] 如上所述，便可较好地实现本发明，上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围；即凡依本发明内容所作的均等变化与修饰，都为本发明权利要求所要求保护的范围所涵盖。