一种直接碳燃料电池反应装置，属于直接碳燃料电池技术领域。该反应装置上底座（１）同轴放入上水冷套（２）中并对连接处焊接密封形成水冷腔体；阳极集流铂网（１２）用于从纽扣式固体氧化物燃料电池（１６）阳极上收集电流，阳极集流铂丝（１５）两头分别用作参比电极和测试电极；测温热电偶（１７）测温点与纽扣固体氧化物燃料电池（１６）保持同一高度；阳极腔体管（６）底部插入下底座（４３）上部孔中；石英砂烧结板（４２）下面布置碳燃料热电偶（５６）；所有管件与封头（４６）连接密封。本发明专利技术解决了阳极腔体加水和碳燃料放置问题；实现了燃料电池运行和碳燃料反应分别控温；避免繁琐的装卸过程和人员烫伤；防止了密封失效，降低了成本。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种直接碳燃料电池反应装置，属于直接碳燃料电池
技术介绍
燃料电池可将储存在燃料中的化学能直接转化为电能，不受卡诺循环限制，具有能量转 换效率高、洁净、无污染、噪声低、模块结构性强、比功率高等优点，受到世界各国广泛的 重视。其中，直接碳燃料电池(Direct Carbon Fuel Cell, DCFC)与使用气体或液体燃料的燃料 电池不同，直接碳燃料电池直接以固体碳作为燃料，其独特优势在于电池理论效率更高； 直接使用固体碳燃料，省去气化环节；固体碳燃料体积小、热值高，储藏运输方便；同时固 体碳燃料有望通过对储量丰富的煤炭进行简单加工处理而得到，燃料来源更为广泛。直接碳燃料电池因其燃料使用类型而得名。近年来，随着材料科学和燃料电池技术的发 展，已经开发出多种电解质材料的直接碳燃料电池。电解质是电池的核心部件，不同电解质 材料能够传导的导电离子可能不同，进而反应机理也不同，常见的电解质是熔融氢氧化物、 熔融碳酸盐和固体氧化物电解质。本专利申请主要针对固体氧化物电解质直接碳燃料电池。 1965年，Zahradnik将煤气化单元和高温固体氧化物燃料电池相结合，建立了固体氧化物电 解质的直接碳燃料电池。1988年日本的Nakagawa和Ishida更加深入地研究了该过程。美国 Akron大学Chuang等人在单电池实验中采用固定床反应器，将固体碳粒放在电极表面进行反 应。美国Stanford大学Gur等人也开展了对固体氧化物电解质直接碳燃料电池的研究。与 Akron大学不同，Gur的研究中碳并不与电池阳极直接接触。由此可见，该类型直接碳燃料电 池主要由固体碳燃料和固体氧化物燃料电池两部分组成。本专利申请主要针对碳燃料与固体 氧化物燃料电池不直接接触情况。目前固体氧化物电解质直接碳燃料电池技术尚处于起步阶段，其反应机理、运行特性、 工作条件、材料体系等有待进一步研究。在这种情况下，直接碳燃料电池反应装置中使用纽扣式固体氧化物燃料电池就显得更有意义。纽扣式固体氧化物燃料电池一面为阳极， 一面为 阴极，电解质夹在阴阳极之间，它具有实验测试相对简单、数据可重复性好、气体流动影响 小等优点，对直接碳燃料电池工作机理研究、运行特性测试、材料性能分析以及模拟计算验 证有着重要的意义，在直接碳燃料电池领域被国内外各研究机构广泛采用，目前其测试装置多为各研究机构自 行设计加工制作。由于直接碳燃料电池其反应过程复杂、运行条件苛刻，对反应装置提出极高的要求，主 要包括(1)反应装置需同时满足电流集流、气体输送、测温控温和密封要求。固体氧化物 燃料电池部件由多孔阳极、阴极以及位于两者之间的致密固体氧化物电解质组成。在高温状 态下(600°C-IOO(TC)，多孔阳极、阴极具备气体传质和同时传导氧离子、电子的作用，固体 氧化物电解质具有传导氧离子、阻止气体传递的作用。当燃料电池工作时，阴极侧通入空气， 其中氧气在多孔阴极中从外部电路得到电子生成氧离子，氧离子穿过电解质层到达阳极。阳 极侧H2、 C0等燃料气体与电解质传递过来的氧离子反应生成H20、 C02等产物，同时释放出电子，电子通过外电路到达阴极，实现外电路供电。从反应过程中可以看出，固体氧化物燃料 电池部件工作在高温状态(60(TC-1000°C)，阴、阳极气体需独立密封，不串通或泄露，阴、 阳极表面的电流需进行集流，这是固体氧化物燃料电池运行所必须的条件。(2)反应装置需 满足固体碳燃料反应要求。直接碳燃料电池以固体碳为燃料，反应装置需满足固体碳燃料供 给、放置要求。对于碳燃料与燃料电池阳极不直接接触的方式，碳燃料首先发生气化反应， 反应后的燃料气体与纽扣式固体氧化物燃料电池发生电化学反应。因此，反应装置布局还需 同时考虑碳燃料与阳极气体的接触和气化反应需求。(3)反应装置需满足阳极气体加水要求。 当阳极气体中有&0存在时(高温下为气态水)，碳燃料会发生气化反应生成H2和C0，实验证 明阳极气体中加水可以显著提高电池性能，而常规水浴加湿法添加的水量有限，不能满足要 求。(4)反应装置应具备两段加热功能。碳燃料气化与固体氧化物燃料电池反应的最佳温度 可能不同，因此反应装置应具备两段加热功能。(5)反应装置应装卸方便。反应结束后需更换纽扣式固体氧化物燃料电池和密封玻璃环等耗材，此时在满足密封要求前提下，反应装置需装卸方便。(6)反应装置应尽可能减小阴、阳极腔体。阴、阳极腔体较大时，对气体组分 敏感性较差，测试时不能快速的反应阴、阳极气体组分变化。(7)反应装置应具备水冷功能。 电池运行时，受传热与辐射影响，反应装置炉外部分温度较高，容易烫伤或导致密封材料失 效，而加大装置长度虽然可以避免温度过高，但同时会增大阴、阳极腔体体积，因此水冷功 能十分必要。出于以上原因，直接碳燃料电池反应装置的设计制作非常复杂，很难同时满足以上需求， 直接碳燃料电池反应装置的改进研发十分必要。
技术实现思路
本专利技术申请的目的是根据直接碳燃料电池反应需求设计一种新型反应装置。该装置可实 现对直接碳燃料电池的密封、电流集流、阴阳极气体供给、测温控温、固体碳燃料供给、阳 极加水以及分段加热等功能，同时为外部气路、电池电化学性能测试、反应气体检测留下接 口，以满足直接碳燃料电池反应条件需求，另外通过细致的结构设计，实现拆卸简便、结构 紧凑、水冷降温等功能。一种直接碳燃料电池反应装置，它包括固定部件、水冷部件、阴极气体供给部件、阳极 气体供给部件、碳燃料安置部件、集流部件、密封部件、测控温部件和反应腔体部件。固定部件主要包括上底座、内套管、外套管套、外套管芯、上水冷套、封头、下底座、 下底座芯，均为不锈钢材质。上底座是整个反应装置的核心部件之一，其上沿纵向开有各种 通孔，用于固定阴极气体入口管、阳极气体出口管、阳极集流管、燃料电池热电偶保护管， 以及阴极气体出口孔。其中部螺纹孔上安装紧固螺钉，用于固定拉紧弹簧。上底座与内套管 通过螺纹连接，螺纹连接处安装O形橡胶圈进行密封。内套管底部套入阴极腔体管并用704 硅橡胶密封和固定。外套管芯与外套管套通过螺纹连接，在螺纹连接处安装O形橡胶圈，由 于外套管芯的顶紧推力和外套管套斜面的楔形作用，将0形橡胶圈与阳极腔体管、外套管套 斜面压紧，实现对阳极腔体管的固定与密封。外套管套与上水冷套通过螺纹连接，螺纹连接 处安装0形橡胶圈进行密封。下底座芯与下底座通过螺纹连接，在螺纹连接处安装o形橡胶 圈，旋紧下底座芯，实现对碳燃料放置管的固定与密封。封头上开有三个通孔，分别用于固 定阳极气体入口管、碳燃料热电偶保护管和加水螺旋管。水冷部件包括上底座、上水冷套、下底座、下水冷套以及焊接在各水冷套上的冷却水导 管。将上(下)底座同轴放入上(下)水冷套中，焊接密封，进而形成水冷腔体，用于通入 冷却水。阴极气体供给部件包括阴极气体入口管、阴极腔体管和上底座的阴极气体出口孔。阴极 气体由阴极气体入口管进入，通过多孔的阴极集流铂网后从阴极气体入口管与阴极腔体管之 间的环形腔体流过，经由阴极气体出口孔排出。其中，阴极气体入口管为刚玉材质，阴极腔 体管为石英玻璃材质。阳极气体供给部件包括阳极气体入口管、阳极气体出口管、阳极腔体管、碳燃料放置管 和加水螺旋管。本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种直接碳燃料电池反应装置，其特征在于，该反应装置包括上底座（１），上水冷套（２），内套管（３），外套管套（４），外套管芯（５），阳极腔体管（６），阴极腔体管（７），燃料电池管式加热电炉（８），阴极集流铂丝（９），阴极集流铂网（１０），密封玻璃环（１１），阳极集流铂网（１２），压紧陶瓷片（１３），拉紧镍镉丝（１４），阳极集流铂丝（１５），纽扣式固体氧化物燃料电池（１６），燃料电池热电偶（１７），Ｏ形橡胶圈Ⅰ（１８），拉紧弹簧（１９），Ｏ形橡胶圈Ⅱ（２０），紧固螺钉（２１），Ｏ形橡胶圈Ⅲ（２２），阴极气体入口管（２３），阳极气体出口管（２４），阳极集流刚玉管（２５），燃料电池热电偶保护管（２７），固体碳燃料（３９），碳燃料管式加热电炉（４０），碳燃料热电偶保护管（４１），碳燃料放置管（４２），下底座（４３），下水冷套（４４），下底座芯（４５），封头（４６），阳极气体入口管（４７），下冷却水导管（４８），Ｏ形橡胶圈Ⅳ（４９），加水螺旋管（５０），石英砂烧结板（５１），碳燃料热电偶（５６）； 上底座（１）开有阴极气体出口孔（２８），热电偶保护管孔（３０），阳极集流刚玉管孔（３１），阳极气体出口管孔（３２），阴极气体入口管孔（３３），紧固螺纹孔（３４）；上水冷套（２）上连接冷却水导管（３５）；内套管（３）与上底座（１）螺纹连接；外套管套（４）与上水冷套（２）螺纹连接；外套管芯（５）开有旋紧孔（３６）；压紧陶瓷片（１３）上开有通气孔（３７），拉紧孔（３８）；拉紧镍镉丝（１４）穿过拉紧孔（３８）并勾住压紧陶瓷片（１３）；封头（４６）上开有碳燃料热电偶保护管孔（５２）、加水螺旋管孔（５３）、阳极气体入口管孔（５４）；下水冷套（４４）上焊接下冷却水导管（４８）；下水冷套（４４）与下底座芯（４５）螺纹连接；下底座芯（４５）与下底座（４３）螺纹连接；加水螺旋管（５０）在碳燃料管式加热电炉（４０）内； 上底座（１）同轴放入上水冷套（２）中并对连接处焊接密封形成水冷腔体，冷却水由上冷却水导管（３５）通入和导出；阴极气体入口管（２３）插入上底座（１）的阴极气体入口孔（３３）中，阳极集流刚玉管（２５）插入上底座（１）的阳极集流刚玉管孔（３１）中，阳极气体出口管（２４）插入上底座（１）的阳极气体出口管孔（３２）中，燃料电池热电偶（１７）插入燃料电池热电偶保护管（２７）中，燃料电池热电偶保护管（２７）插入上底座（１）的燃料电池热电偶保护管孔（...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：蔡宁生，李晨，史翊翔，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]
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