專利名稱：陶瓷膜燃料電池電-熱聯供裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于燃料電池領域，特別涉及陶瓷膜燃料電池的應用技術。
技術背景燃料電池(fuel cell)是將燃料的化學能直接轉化為電能的裝置。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，以薄層化電解質為核心的SOFC稱 為陶瓷膜燃料電池(簡稱CMFC，以下均用CMFC表示)，其燃能轉化效率高，燃料適 應性廣，結構穩定操作方便，對環境友好，是國際上公認的21世紀綠色能源，是化石燃 料和生物質燃料轉化為電能的最佳換能技術，將成為高效分散電源，車船動力能源，以 至有可能最終取代目前火力發電而成為未來氫能社會的主要能源技術。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。為了維持電池系統正常工作，需要提供熱量來預熱燃料和氧化劑。通常 情況下，所需的熱量來自于電池本身工作時產生的電熱，或者通過未反應的燃料燃燒來 提供。如果將多余的熱能作為電池系統的副產品以其它形式加以回收利用，構成能量綜 合利用系統，可以大大提高能源的利用效率。例如，對于大型CMFC系統可以和燃氣輪 機聯合循環發電，燃氣輪機的尾氣余熱用于蒸汽輪機發電或另行利用等。CMFC的單電池外形結構上主要有管式和平板式兩種構型，兩種構型的區別主要在 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 次熱循環而無由于熱應力造成結構破壞之憂，且容易通過單電池的串聯和并聯組成大規 模電池發電系統。最近幾年， 一種新型的集平板和管狀優點于一身的扁平管結構的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構的CMFC，它具有 眾多優點和設計特點。但其未給出它在中小型的分布式能源裝置中的應用。中小型的分布式能源裝置(一般lkW至數10kW)是目前CMFC應用開發的主要市 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，如何構建以CMFC為核心的電一熱聯供系統，由此來提高能源利用效率，并滿足我們高質量的生活需要，是科技工作者需要解決的問題。 發明內容針對現有技術中的不足，本實用新型提出了一種以上述多通道管狀陽極支撐結構的 CMFC組成的電池堆為核心的電一熱聯供裝置，有利于提高中小型CMFC分布式電源裝置的 能源利用效率。本實用新型的技術方案如下-本實用新型的陶瓷膜燃料電池電一熱聯供裝置，包括多通道管狀陽極支撐結構的 CMFC單電池組成的CMFC電池堆組，以及由燃氣供熱的冷熱水交換裝置，其特征在于，所 述多通道陽極支撐管狀結構的CMFC單電池組成的CMFC電池堆組和由燃氣供熱的冷熱水 循環裝置均包容在一個帶有保溫層的柱形殼體中，該殼體內腔由隔熱層分為兩層，下層 為燃料供應室，設有燃料進入管道，用于補充燃料；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 壁排列，并使構成陽極的多通道管管口朝下，電池堆組與殼體內壁之間以及電池堆組頂 部與殼體內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線實現電學連 接，并通過導線引到殼體外經控制器轉換后與用戶的用電器連接；在電池堆組各組中間 設有一個上小下大的由耐火材料構成的階梯筒形件，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，其中還設有用來加熱空氣的熱交換器，該空氣熱交換 器的進氣口伸到殼體外，冷空氣經預熱后從上部輸送到CMFC電池堆的陰極外側空間，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置在該通道內，其進出 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，構成噴嘴形式，并在噴 嘴附近設有一電子點火器；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，其中多通道的中心支管上安裝有電絕緣燃料導氣管，該導氣管的另一端穿過燃料尾 氣收集室和隔熱層進入燃料供應室；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，使燃料供應室的燃料氣體經電絕緣燃料導氣管進入燃料電池的陽極室的 中心支管，然后流經陽極室的其它支管，最后經燃料尾氣收集室噴向燃料室經電子點火 器點火燃燒。本實用新型所述的陶瓷膜燃料電池電一熱聯供裝置中，可設置一個現有技術中常用
的控制器，例如控制電路，用于控制電子點火器的啟動和關閉，監測CMFC電池堆、燃燒 室、空氣熱交換管、冷熱水交換管內的溫度，控制系統輸出轉換及用戶用電量及生活熱 水的供應量和熱水溫度等。本實用新型所述的陶瓷膜燃料電池電一熱聯供裝置，充分發揮和利用了 ZL02113198. 8所提供的多通道管狀陽極支撐結構的CMFC單電池的先進性，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燃后的熱輻射可以快速的加熱電池堆，同 時，經燃燒室內的熱交換器預熱的空氣進入電池堆后也可以進一步加熱電池堆，雙重加 熱可以使電池堆快速的加熱到工作溫度，從而使供電系統快速度啟動；同時，在本裝置 中，經電池堆發電后的燃料尾氣在燃燒室點燃后，除了用來預熱空氣外，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。下面通過實施例及其附圖做進一步描述。

圖l是本實用新型所述的陶瓷膜燃料電池電一熱聯供裝置的一種實施例的結構示意圖。圖2是圖1的B-B仰視圖。圖3是本實用新型所述的陶瓷膜燃料電池電一熱聯供裝置的一種控制器的電路實施例示意圖。
具體實施方式
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 供應室6，設有燃料進入管道，用于供給燃料，5為其燃料進口管。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;兩組多通道管狀結構的CMFC單 電池組成的CMFC電池堆組1放置在上層空腔中，它們沿殼體內壁排列，并使構成陽極的 多通道管管口朝下，電池堆組與殼體內壁之間以及電池堆組頂部與殼體內頂面之間有用 作空氣通道的縫隙，電池堆組各組之間電學連接，由電流引出器17引到殼體外后經控制 器20轉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 有一個上小下大的由耐火材料構成的階梯筒件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
熱交換器的進氣口3從其上部伸到殼體外，冷空氣經預熱后從上部輸送到CMFC電池堆的 陰極外側空間。階梯筒件19的上部引出殼體外作為尾氣排出通道并經排放管13排出，所 述冷熱水交換管12設置在該通道內，其進出水管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，構成噴嘴形式，在噴嘴口附近有一現有技術中的電 子點火器18;周邊處孔分別與CMFC電池堆上多通道管管口對應，其中多通道的中心支管 上安裝有電絕緣燃料導氣管7，該導氣管7的另一端穿過燃料尾氣收集室10和隔熱層9進 入燃料供應室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； 燃料供應室的燃料氣體經電絕緣燃料導氣管進入燃料電池的陽極室，燃料尾氣再經燃料 尾氣收集室噴向燃料室經電子點火器18點火燃燒。圖l中實線箭頭指示空氣(氧化劑)流動方向，虛線箭頭指示燃料氣流動方向。圖2 中符號"X"和" "表示燃料的流動方向，"X"表示由紙外向紙內，" "表示山 紙內向紙外。圖3中的圓點加上數字表示對數字所代表的系統部件的監測。參見圖3，所述的控制器20包含有啟動系統的蓄電池21，電子點火器18的啟動和關 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內的溫度的監測 電路23，系統輸出電到用戶用電器26的轉換器和用戶用電監測器24，燃料、空氣、生活 用水的流量調節控制電路25及主控制器27。主控制器27用于程序設定并對系統工作狀態 (包括系統工作的溫度，燃料、空氣和生活用水的流量，用戶的用電情況等)進行監測， 通過用戶用電量及生活熱水需求量和熱水溫度等反饋調節燃料和空氣的流量，并保證系 統在安全穩定的條件下運行。系統啟動時，通過控制器20程序啟動燃料和空氣輸運系統， 同時啟動電子點火器18，當燃料在燃燒室16內開始燃燒時即可關閉電子點火器18; CMFC 電池堆系統1通過熱輻射及預熱空氣熱交換管4內已預熱的空氣加熱，使之快速加熱到系 統工作溫度(600 800°C)并開始向外供電；CMFC電池堆系統的輸出電壓為24 32V， 額定輸出功率為2.5kW。本實施例的工作方式為燃料從系統的燃料進口管5進入燃料供應室6，經電絕緣燃 料導氣管7進入燃料電池的陽極室，空氣從空氣進口管3進入燃燒室16中的空氣熱交換管 4，預熱后輸送到CMFC電池堆1的陰極側空間，與陽極側各通道中的燃料發生電化學反應 輸出電能，從陽極各通道流出的未反應的燃料氣，進入燃料尾氣收集室IO，再通過電絕 緣陶瓷分隔板8上的噴嘴進入燃燒室16，與從燃燒室16側面通氣孔進入的空氣發生燃燒 反應，產生的熱能對空氣熱交換管4中的空氣進行預熱，溫度仍然較高的熱廢氣經過階 梯筒件19的上部與冷熱水交換管12發生熱交換，進-步降低溫度后進入尾氣排放管]3 排空。本實施例中，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，甲烷或其它碳氫化合物燃料 氣，對于碳氫燃料通常需加入少量水汽，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。本實施例的CMFC電池堆系統的輸出電壓為24 32V，額定 輸出功率為2.5kW。
權利要求1.一種陶瓷膜燃料電池電—熱聯供裝置，包括多通道管狀結構的CMFC單電池組成的CMFC電池堆組，以及由燃氣供熱的冷熱水交換裝置，其特征在于，所述多通道管狀結構的CMFC單電池組成的CMFC電池堆組和由燃氣供熱的冷熱水循環裝置均包容在一個帶有保溫層的柱形殼體中，該殼體內腔由隔熱層分為兩層，下層為燃料供應室，設有燃料進入管道；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，它們沿殼體內壁排列，并使構成陽極的多通道管管口朝下，電池堆組與殼體內壁之間以及電池堆組頂部與殼體內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線實現電學連接，并通過導線引到殼體外后經控制器轉換后與用戶的用電器連接；在電池堆組各組中間設有一個上小下大的由耐火材料構成的階梯筒形件，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，其中還設有用來加熱空氣的熱交換器，該空氣熱交換器的進氣口伸到殼體外，冷空氣經預熱后從上部輸送到CMFC電池堆的陰極外側空間，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置在該通道內，其進出管均引出殼體外；所述電絕緣陶瓷分隔板固定在殼體內壁上，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，構成噴嘴形式，并在噴嘴附近設有一電子點火器；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，其中多通道的中心支管上安裝有電絕緣燃料導氣管，該導氣管的另一端穿過燃料尾氣收集室和隔熱層進入燃料供應室；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。
專利摘要本實用新型屬于燃料電池領域，特別涉及陶瓷膜燃料電池的應用技術。該裝置將多通道管狀結構的CMFC單電池組成的CMFC電池堆組冷熱水循環裝置容置在一個帶有保溫層的柱形殼體中，該殼體下層為燃料供應室，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。燃料氣體經電絕緣燃料導氣管進入陽極室的中心支管，然后流經其它支管，最后經燃料尾氣收集室噴向燃料室點火燃燒。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，冷熱水交換管設置在該通道內，供用戶熱水。燃料在燃燒室點燃后的熱輻射快速的加熱電池堆，同時預熱的空氣也進一步加熱電池堆，使供電系統快速度啟動，提高了燃能利用率。
文檔編號H01M8/06GK201048144SQ20072003564
公開日2008年4月16日 申請日期2007年3月23日 優先權日2007年3月23日
發明者劉銘飛, 孟廣耀 申請人:中國科學技術大學