本發(fā)明涉及直接使用瓜子殼衍生燃料的微管式固體氧化物燃料電池，具體涉及一種基于瓜子殼衍生燃料的微管式直接碳固體氧化物燃料電池組。

背景技術(shù)：

農(nóng)林廢棄物的開發(fā)利用是我國科學(xué)技術(shù)發(fā)展規(guī)劃中優(yōu)先鼓勵發(fā)展的主題，利用農(nóng)林廢棄物開發(fā)新型生物材料和緊缺資源替代物的研究日益受到重視。隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，能源和資源供應(yīng)日益緊張，已成為限制我國社會可持續(xù)發(fā)展的突出問題。為了保護(hù)人類賴以生存的自然環(huán)境，保護(hù)森林資源，有必要充分挖掘農(nóng)林廢棄物的潛在價值，變廢為寶，開發(fā)多元化產(chǎn)品。瓜子，平日里我們細(xì)吃慢嗑，一到年下需求旺盛，家家戶戶都要買，炒坊因此生意火爆，而且我國是瓜子生產(chǎn)、消費(fèi)和出口貿(mào)易最大的國家，瓜子殼是瓜子取仁后的果殼，每年瓜子殼的產(chǎn)量非常高，但大部分被當(dāng)作廢棄物處理，其潛在價值被完全忽視，造成資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。

瓜子殼資源的綜合利用屬于典型的低碳經(jīng)濟(jì)。隨著相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展，國內(nèi)外采用生物技術(shù)和化學(xué)技術(shù)對瓜子殼綜合開發(fā)利用進(jìn)行了多領(lǐng)域研究，例如應(yīng)用于燃料電池，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)能源的高效利用。瓜子殼用于燃料電池的開發(fā)利用，體現(xiàn)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中廢棄物的高效轉(zhuǎn)化，是循環(huán)農(nóng)業(yè)和低碳經(jīng)濟(jì)的重要體現(xiàn)，也是取之自然、用之自然的良性循環(huán)，響應(yīng)了國家可持續(xù)發(fā)展的號召。

固體氧化物燃料電池(sofc)是一種高效清潔的電化學(xué)發(fā)電裝置，一般由傳導(dǎo)氧離子的致密電解質(zhì)和分別對燃料和氧化劑有電催化作用的多孔陽極和陰極組成，具有燃料使用范圍廣、易推廣且運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。目前，氫氣是sofc使用最普遍的燃料，但氫氣是一種二次能源，不能從自然界中直接獲得，成本高、體積能量密度低、儲存運(yùn)輸安全性差等問題。但是，碳燃料不存在上述問題，其被認(rèn)為是可以替代氫氣的安全性燃料，尤其是運(yùn)用于高溫燃料電池。與氫氣相比，碳的能量密度高、價格低廉、來源廣泛，而且沒有儲存和運(yùn)輸?shù)陌踩珕栴}。因此，直接碳固體氧化物燃料電池（dc-sofc）受到了越來越多的重視。

dc-sofc的結(jié)構(gòu)非常簡單，其核心部件是由具有較高氧離子導(dǎo)電率的陶瓷電解質(zhì)、鈣鈦礦氧化物陰極和金屬陶瓷陽極構(gòu)成的sofc，碳燃料置于陽極室，通過向陰極提供氧氣，氧分子在陰極的電催化作用下轉(zhuǎn)變成氧離子o2-，氧離子通過電解質(zhì)傳遞到陽極，與擴(kuò)散到陽極的co反應(yīng)生成co2并給出電子，即電化學(xué)氧化反應(yīng)

co+o2-=co2+2e-

這些co2擴(kuò)散到碳燃料表面，與其發(fā)生boudouard反應(yīng)

co2+c=2co

生成的co擴(kuò)散到陽極，通過電化學(xué)氧化反應(yīng)產(chǎn)生電流。如此反復(fù)循環(huán)，就實(shí)現(xiàn)了電化學(xué)方式消耗固體碳燃料而發(fā)電的目的。

dc-sofc除具有sofc的優(yōu)點(diǎn)外，還有動力學(xué)過程快、燃料利用率高、全固態(tài)結(jié)構(gòu)等獨(dú)特優(yōu)勢，具有廣闊的應(yīng)用前景。首先，它是一種潛在的高效潔凈煤和生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)，而且其發(fā)電過程不需要水；其次，dc-sofc中碳燃料的理論最大容量(8935mahg-1)是典型的鋰離子電池中碳負(fù)極材料理論容量（372mahg-1）的24倍，可望將dc-sofc開發(fā)成一種高性能、低成本的蓄電池；最后，dc-sofc的開發(fā)有望促進(jìn)我國稀土產(chǎn)業(yè)發(fā)展，并帶動新型材料產(chǎn)業(yè)的形成和傳統(tǒng)陶瓷產(chǎn)業(yè)的升級換代。

基于以上原因，本發(fā)明設(shè)計了一種基于瓜子殼衍生燃料的微管式直接碳固體氧化物燃料電池組。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于將儲量豐富且能量密度大的瓜子殼與微管式固體氧化物燃料電池結(jié)合起來，提供一種基于瓜子殼衍生燃料的微管式直接碳固體氧化物燃料電池組。利用瓜子殼衍生燃料燃燒自維持電池組工作所需的燃料和高溫，提高電池發(fā)電效率的同時實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)資源的高效清潔利用，提供一種適用于小型應(yīng)用的dc-sofc電源。

其技術(shù)方案是：每個微管式固體氧化物燃料電池單體的下端嵌入30目不銹鋼網(wǎng)中，上端嵌入12目不銹鋼網(wǎng)中，30目不銹鋼網(wǎng)放在底部帶支撐環(huán)的反應(yīng)室內(nèi)，在反應(yīng)室上方添加瓜子殼衍生燃料，通過12目不銹鋼網(wǎng)落入底部30目不銹鋼網(wǎng)上，瓜子殼衍生燃料中部安裝有熱電偶，在反應(yīng)室下方設(shè)有點(diǎn)火器，外部設(shè)有保溫層。

維持工作所需的燃料是通過對瓜子殼進(jìn)行簡單處理得到的碳燃料，價格低廉、來源廣泛、能量密度高。微管式固體氧化物燃料電池單體置于瓜子殼衍生燃料中，其儲量不受電池單體內(nèi)徑的限制，只取決于反應(yīng)室的大小，因此可以最大限度的提高碳燃料量，從而提高電池穩(wěn)定運(yùn)行時間。同時，將碳燃料燃燒產(chǎn)生的熱量充分利用起來，提供電池組工作所需的高溫，提高系統(tǒng)的發(fā)電效率，實(shí)現(xiàn)自維持。在電池正常工作時，可通過裝置的頂部連續(xù)不斷的向反應(yīng)室內(nèi)添加瓜子殼衍生燃料，充分保證電池所需燃料，實(shí)現(xiàn)電池的連續(xù)性運(yùn)行。

本發(fā)明的有益效果是：（1）本發(fā)明將儲量豐富且能量密度大的瓜子殼與微管式固體氧化物燃料電池組結(jié)合起來，利用瓜子殼衍生燃料燃燒自維持電池組工作所需的燃料和高溫，提高電池發(fā)電效率的同時實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)資源的高效清潔利用，提供一種適用于小型應(yīng)用的dc-sofc電源。（2）將dc-sofc的冗余熱能供給和燃料氣化的熱量需求結(jié)合起來，在無任何熱源的條件下實(shí)現(xiàn)自維持，保證電池的順利啟動和連續(xù)性工作，提高系統(tǒng)的發(fā)電效率，使燃料電池進(jìn)入普通家庭成為可能。（3）具有單室固體氧化物燃料電池的特征，但陰、陽極不需密封，只做簡單隔離，節(jié)約成本。（4）瓜子殼衍生燃料的儲量不受微管式固體氧化物燃料電池組內(nèi)徑的限制，只取決于反應(yīng)室的大小，電池性能大大提高。（5）所需的能量全部儲存在瓜子殼衍生燃料中，燃料不足時只需通過反應(yīng)室頂部進(jìn)行補(bǔ)充，實(shí)現(xiàn)電池組的持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是圖1中所述微管式固體氧化物燃料電池單體集成安裝圖。

圖3是本發(fā)明內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

按照圖3所示，將多根微管式固體氧化物燃料電池單體（3）用銀絲（10）進(jìn)行并聯(lián)并檢查其絕緣情況。

按照圖2所示，微管式固體氧化物燃料電池單體（3）上、下兩端分別嵌入12目不銹鋼網(wǎng)（5）和30目不銹鋼網(wǎng)（4）中，并用銀漿加以固定。將組裝好的微管式固體氧化物燃料電池組放入反應(yīng)室（2），30目不銹鋼網(wǎng)（4）放在反應(yīng)室（2）底部的支撐環(huán)（9）上。在電池組上方添加瓜子殼衍生燃料（6），通過12目不銹鋼網(wǎng)（5）落入反應(yīng)室（2）中，反應(yīng)室（2）底部由不銹鋼網(wǎng)（4）支撐，確保瓜子殼衍生燃料（6）與微管式固體氧化物燃料電池單體（3）外側(cè)的緊密接觸，并在反應(yīng)室（2）上方蓋上一層保溫棉。使用點(diǎn)火器（8）從反應(yīng)室（2）底部點(diǎn)火，保證瓜子殼衍生燃料（6）能夠正常燃燒，采用熱電偶（7）測量反應(yīng)室（2）內(nèi)部溫度。

通過溫度調(diào)整反應(yīng)室（2）上方保溫棉的透氣程度，如果溫度低于800°c則增加保溫棉用量，如果溫度高于900°c，則減小保溫棉用量，保證系統(tǒng)在無外加熱源的情況下能夠自維持工作溫度。

當(dāng)電池組的開路電壓達(dá)到預(yù)定值并穩(wěn)定一段時間后，接入負(fù)載，使直接碳微管式固體氧化物燃料電池組開始工作。根據(jù)反應(yīng)室（2）中瓜子殼衍生燃料（6）的消耗程度適時補(bǔ)充，保證電池組的持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

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