平板式固体氧化物燃料电池电堆装置

摘要

本发明公开一种平板式固体氧化物燃料电池电堆装置，包括底座、单电池、单电池框架、密封件、连接体、燃料管路和空气管路，连接体上设有电池覆盖区和热交换区，燃料管路和空气管路中的气体均依次通过主进气管道、进气集流管道、进气配流管道、排气集流管道、排气配流管道和主排气管道。本发明有利于冷热流体间的热交换，降低热流体出口端的温度，能够使得密封件远离高温区，进而提高电堆的气密性，同时还能延长密封件的使用寿命。

权利要求

1.一种平板式固体氧化物燃料电池电堆装置，从下向上依次安装有底座(8)、底座密封件(7)、底板(6)和顶板(1)，顶板(1)与底板(6)之间安装有若干组呈上下结构层叠排布的电池电堆组，其特征在于：所述的每一个电池电堆组从上向下依次层叠有密封件(2)、单电池框架(3)、密封件(2)和连接体(5)，单电池框架(3)上设有单电池(4)；所述底座(8)、底座密封件(7)、底板(6)、连接体(5)、单电池框架(3)和密封件(2)的四个边角处均开设有两个孔，且由于底座(8)、底座密封件(7)、底板(6)、连接体(5)、单电池框架(3)和密封件(2)上下层叠排布，每一层的八个孔均上下对应贯通形成八条上下贯通的管道，同一个边角处相邻的两个通道中，一个为主进气管道(9)，另一个为主排气管道(16)；所述连接体(5)的中间位置设有电池覆盖区，电池覆盖区的四侧外缘分别设有一个热交换区(17)，热交换区(17)包括两排并行的流道，外侧的流道为热流体流道(15)，内侧的流道为冷流体流道(10)；所述热流体流道(15)和冷流体流道(10)的两端均开设有气孔，且底座(8)、底座密封件(7)、底板(6)、连接体(5)、单电池框架(3)和密封件(2)上也开设有与该十六个气孔位置相对应向上贯通的气孔进而形成十六个管道，以电堆任意一对角线为轴可将这十六条管道和上面所述的八条管道分两组：燃料管路和空气管路，所述燃料管路和空气管路均依次包括：主进气管道(9)、进气集流管道(11)、进气配流管道(12)、排气集流管道(13)、排气配流管道(14)和主排气管道(16)。

2.根据权利要求1所述的平板式固体氧化物燃料电池电堆装置，其特征在于：所述燃料管路和空气管路中的气体均从主进气管道(9)的进气孔进入管道，然后依次通过进气集流管道(11)、进气配流管道(12)、排气集流管道(13)和排气配流管道(14)，最后从主排气管道(16)的出气孔排出。

3.根据权利要求1所述的平板式固体氧化物燃料电池电堆装置，其特征在于：所述电池覆盖区包括一个连续结构区(19)和设置于连续结构区(19)两侧的离散结构区(18)。

4.根据权利要求3所述的平板式固体氧化物燃料电池电堆装置，其特征在于：当采用甲烷用作燃料时，两侧的离散结构区(18)可用作燃料的重整反应区；当采用氢气用作燃料时，两侧的离散结构区(18)可用作燃料的热交换功能 区。

5.根据权利要求1所述的平板式固体氧化物燃料电池电堆装置，其特征在于：所述的每相邻两个单电池(4)之间的燃料气体的流向相反，每相邻两个单电池(4)之间的氧化气体的流向相反。

6.根据权利要求1所述的平板式固体氧化物燃料电池电堆装置，其特征在于：所述底座(8)上同一边角处相邻两个孔中，一个为主进气管道(9)的进气孔另一个为主排气管道(16)的出气孔。

7.根据权利要求1所述的平板式固体氧化物燃料电池电堆装置，其特征在于：所述单电池(4)的阳极与连接体(5)之间设有网状导电金属条，单电池(4)的阴极与连接体(5)之间依次设有接触层和网状导电金属条。

说明书

平板式固体氧化物燃料电池电堆装置

技术领域

[0001] 本发明涉及固体氧化物燃料电池，具体涉及平板式固体氧化物燃料电池电堆装置。

背景技术

[0002] 火力发电过程不仅复杂(首先把燃料的化学能转变成热能，然后再将热能转变为机械能，最后由机械能转变为电能)，而且火力发电过程中产生大量的粉尘、二氧化碳、SO2、NOx等有害物质，严重污染了人类赖以生存的环境。与火力发电原理不同，燃料电池直接将燃料的化学能转变为电能，因此燃料电池的效率比火力发电的效率高的多。燃料电池作为继水电、火电、核电之后的第四代新型发电技术，得到了世界各国的重视。

[0003] 与其它类型的燃料电池相比，固体氧化物燃料电池具有突出的优势。固体氧化物燃料电池的主要优势在于：(1)固体氧化物燃料电池各部分都是固态，因此避免了液态电解质引起的腐蚀和流失问题；(2)固体氧化物燃料电池燃料灵活，不仅可以使用氢气为燃料，而且可以直接使用碳氢化合物为燃料，例如：煤气、液化石油气、生物质气、天燃气、甲醇等；(3)高的工作温度使固体氧化物燃料电池不需要昂贵的催化剂，且提高了催化剂对杂质气体的忍耐性。(4)固体氧化物燃料电池排除的高温余热可以用于热电联供系统，能量利用效率高达70％以上。正是因为以上的优点，二十世纪九十年代后期世界上发达国家普遍投入了大量资金研究固体氧化物燃料电池相关技术难题。

[0004] 固体氧化物燃料电池单电池由阳极、阴极、电解质组成，构成类似“三合板”的构件。固体氧化物燃料电池的工作原理与化学电池例如氢镍电池、锂离子电池、铅酸电池等的原理有着本质的不同。化学电池是个储能设备需要先储能然后再放电，而燃料电池是发电装置，只要燃料不断的供给，就能不断的输出电能。固体氧化物燃料电池的工作原理很简单，在阴极三相线的位置氧化剂气体被还原为氧离子，氧离子通过电解质到达阳极三相线与燃料气结合放出电子，电子通过外电路流过负载输出电能到达阴极，在阴极三相线的位置与氧化剂气体结合生成氧离子，如此循环往复不断输出可以利用的电能。

[0005] 目前固体氧化物燃料电池两种最基本的设计是平板式固体氧化物燃料电池和管式固体氧化物燃料电池。管式固体氧化物燃料电池是目前发展比较成熟的一种固体氧化物燃料电池构型，例如西屋-西门子公司(专利号：BP0055011和BP0055016)的管式设计。管式固体氧化物燃料电池单电池是一个一端开口一端封闭的、管壁由三层薄膜构成的陶瓷管，管的直径大约在20mm左右，长度大约1～2m左右。阴极支撑的管式固体氧化物燃料电池空气从管内流入，燃料通过管子外壁供给。通过连接体可以把单电池以并联和串联的方式组成电池堆。管式固体氧化物燃料电池的主要优点是不需要密封、电池组装简单、抗应力能力强。缺点是电流路径长、功率密度低、成本高，这严重制约了其商业化的发展。

[0006] 随着薄膜技术的发展，平板式固体氧化物燃料电池凭借其制作简单、成本低、电流路径短、功率密度高等优点逐渐成为发展主流。平板式固体氧化物燃料电池单电池主要由电解质及其两侧的阳极和阴极三层平板式薄膜组成。固体氧化物燃料电池单电池的输出电压一般小于1V，因此为了获得足够的电压和输出功率以达到实用的要求必须利用连接体把多个单电池以并联、串联或混联的方式组装成电堆。

[0007] 平板式固体氧化物燃料电池电池堆主要由单电池、单电池框架、密封材料和连接体堆叠而成。连接体的两侧有很多槽称之为气道，气道间的脊梁我们称之为rib。燃料通过连接体和阳极间的气道为电化学反应提供足够的燃料，空气通过连接体和阴极间的气道为电化学反应提供足够的氧气。rib则是用来收集电化学反应产生的电流。密封材料主要位于单电池的四周提供足够的气密性，保证燃料和空气的隔离，防止燃料和空气的泄漏，对于提高电池的开路电压具有重要意义。

[0008] 众所周知，固体氧化物燃料电池工作过程中由于电化学反应、欧姆热、活化热等放出大量的热量，从而提高了气体和堆部件的温度。堆部件的温度及温度梯度分布对电池堆的电池性能、电池寿命及其性能的衰减具有重要的影响作用。

[0009] 固体氧化物燃料电池的气体供应方式主要由并流、逆流和交叉流三种。并流是指燃料的流向与空气的流向相同；逆流是燃料的流向与空气的流向相反；交叉流是燃料的流向与空气的流向相垂直。美国专利US6824910、US4476197提供了并流的平板式固体氧化物燃料电池设计。美国专利US6824910、US20070207363A1、US20090004545A1提供了并流和逆流的平板式固体氧化物 燃料电池设计。中国专利“一种平板式中温固体氧化物燃料电池堆”(专利号：CN02115884.3)采用的是交叉流的平板式固体氧化物燃料电池设计。

[0010] 林子敬小组(林子敬,顾晔,张晓华.YSZ中温燃料电池的稳态模拟[J].电化学,2002,8(4).)利用自己编写的二维平板式固体氧化物燃料电池数学模型研究并流、逆流和交叉流设计电池温度的分布。结果显示对于并流和逆流设计，温度沿着空气流的方向逐渐升高，并且发现不论哪种设计温度最大值都处于空气出口端。这必然导致空气出口端的密封材料的抗热应力的能力下降，因为实验表明密封材料的抗应力能力随着温度的升高而明显下降。较大的热应力很可能导致空气出口端的密封材料开裂。密封材料开裂的严重后果是燃料和空气混合并发生化学反应释放大量的热量，必然导致局域过热引起材料的老化电池性能的衰减，甚至引起爆炸威胁人身安全。因此需要改进设计以达到密封件远离电池堆中的高温区目的，防止燃料和空气的泄漏。

[0011] 与其它类型的燃料电池相比，固体氧化物燃料电池的主要优势之一是燃料灵活，不仅可以使用氢气为燃料，而且可以直接使用碳氢化合物为燃料，例如：煤气、液化石油气、生物质气、天燃气、甲醇等。大量文献报道(International journal of hydrogen energy 34(2009)410–421，Chemical Engineering Science 59(2004)87–97，JOURNAL OF ENGINEERING FOR THERMAL ENERGY AND POWER Vol.23,No.3May,2008)固体氧化物燃料电池中的重整反应吸收大量的热量导致在燃料入口附近产生显著的局部过冷区。这可能导致产生比较大的热应力，从而引起电解质的破裂、密封件的失效(此局部过冷区主要分布在燃料入口附近)、电池性能的衰减。

发明内容

[0012] 发明目的：本发明的目的在于解决现有技术中的不足，提供一种能够消除重整反应吸热效应、并能够充分利用废气余热加热入口冷流体的密封件远离电池堆高温区的平板式固体氧化物燃料电池电堆装置。

[0013] 技术方案：本发明的一种平板式固体氧化物燃料电池电堆装置，从下向上依次安装有底座、底座密封件、底板和顶板，顶板与底板之间安装有若干组呈上下结构层叠排布的电池电堆组，每一个电池电堆组从上向下依次层叠有密封件、单电池框架、密封件和连接体，单电池框架上设有单电池；所述底座、底座 密封件、底板、连接体、单电池框架和密封件的四个边角处均开设有两个孔，且由于底座、底座密封件、底板、连接体、单电池框架和密封件上下层叠排布，每一层的八个孔均上下对应贯通形成八条上下贯通的管道，同一个边角处相邻的两个通道中，一个为主进气管道，另一个为主排气管道；所述连接体的中间位置设有电池覆盖区，电池覆盖区的四侧外缘分别设有一个热交换区，热交换区包括两排并行的流道，外侧的流道为热流体流道，内侧的流道为冷流体流道；所述热流体流道和冷流体流道的两端均开设有气孔，且底座、底座密封件、底板、连接体、单电池框架和密封件上也开设有与该十六个气孔位置相对应向上贯通的气孔进而形成十六个管道，以电堆任意一对角线为轴可将这十六条管道和上面所述的八条管道分两组：燃料管路和空气管路，所述燃料管路和空气管路均依次包括：主进气管道、进气集流管道、进气配流管道、排气集流管道、排气配流管道和主排气管道。

[0014] 其中，所述燃料管路和空气管路中的气体均从主进气管道的进气孔进入管道，然后依次通过进气集流管道、进气配流管道、排气集流管道和排气配流管道，最后从主排气管道的出气孔排出。而各个管道的横截面可以为半圆形、圆形、三角形、四边形和多边形等。

[0015] 进一步的，所述电池覆盖区包括一个连续结构区和设置于连续结构区两侧的离散结构区。

[0016] 进一步的，当采用甲烷用作燃料时，两侧的离散结构区可用作燃料的重整反应区；当采用氢气用作燃料时，两侧的离散结构区可用作燃料的热交换功能区。

[0017] 进一步的，所述的每相邻两个单电池之间的燃料气体的流向相反，每相邻两个单电池之间的氧化气体的流向相反。

[0018] 进一步的，所述基座上同一边角处相邻两个孔中，一个为主进气管道的进气孔另一个为主排气管道的出气孔。

[0019] 为了提高电池电堆的集流效果，所述单电池的阳极与连接体之间设有网状导电金属条，例如可以使镍网，单电池的阴极与连接体之间依次添加较为柔软的接触层(例如由锰酸镧锶制成的接触层)和网状导电金属条，例如镍网。

[0020] 有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

[0021] (1)本发明的电堆四周热交换区分内外两层，冷流体流道布置在内层，热流体流道布置在外层，既可以吸收外层即将排出的气体的余热，又可以吸收内侧电堆边缘的热量，有利于冷热流体间的热交换，降低电堆边缘的温度有利于保护密封件。

[0022] (2)本发明的电堆中相邻两个单电池的燃料气体的流向相反，电堆中相邻两个单电池的氧化气体的流向相反，可方便快速的改变气流方向，实现密封件远离高温区，从而达到提高密封件的气密性的目的，同时又能够延长密封件的使用寿命，进而避免重整反应引起的局部过冷产生的热应力。

[0023] (3)本发明的电堆中的小气道区域分为三部分，其中两端采用离散式结构，中间采用连续式结构，一方面能够使各小气道的气体分布均匀，另一方面能够减小压差，进而降低泵入气体所需的能量。

[0024] (4)本发明的主进气管道和主排气管道紧密相邻，并且主进气管道中的气体流向和主排气管道中的气体流向相反，可利用主排气管道的废热气体加热主进气管道的冷气体，大大提高废热的利用率，进而减少把气体从室温加热到工作温度所需要的能量，最终能够提高电堆的发电效率。

附图说明

[0025] 图1为本发明的整体结构图示意图；

[0026] 图2为本发明中气体流动总体示意图；

[0027] 图3为本发明中气体流动的第一段示意图；

[0028] 图4为本发明中气体流动的第二段示意图；

[0029] 图5为本发明中气体在连接体中的流动示意图；

[0030] 图6为本发明中气体流动的第三段示意图；

[0031] 图7为本发明中气体流动的第四段示意图。

具体实施方式

[0032] 下面对本发明技术方案结合附图进行详细说明。

[0033] 如图1至图7所示，本发明的一种平板式固体氧化物燃料电池电堆装置，从下向上依次安装有底座8、底座密封件7、底板6和顶板1，顶板1与底板6之间安装有若干组呈上下结构层叠排布的电池电堆组，每一个电池电堆组从上向下依次层叠有密封件2、单电池框架3、密封件2和连接体5，单电池框架3上设有单电池 4，所述底座8、底座密封件7、底板6、连接体5、单电池框架3和密封件2的四个边角处均开设有两个孔，且由于底座8、底座密封件7、底板6、连接体5、单电池框架3和密封件2上下层叠排布，每一层的八个孔均上下对应贯通形成八条上下贯通的管道，同一个边角处相邻的两个通道中，一个为主进气管道9，另一个为主排气管道16；连接体5的中间位置设有电池覆盖区，电池覆盖区的四侧外缘分别设有一个热交换区17，热交换区17包括两排并行的流道，外侧的流道为热流体流道15，内侧的流道为冷流体流道10；热流体流道15和冷流体流道10的两端均开设有气孔，且底座8、底座密封件7、底板6、连接体5、单电池框架3和密封件2上也开设有与该十六个气孔位置相对应向上贯通的气孔进而形成十六条管道，以电堆任意一对角线为轴可将这十六条管道和上面所述的八条管道分两组：燃料管路和空气管路，燃料管路和空气管路均依次包括：主进气管道9、进气集流管道11、进气配流管道12、排气集流管道13、排气配流管道14和主排气管道16。

[0034] 其中，燃料管路和空气管路中的气体均从主进气管道9的进气孔进入管道，然后依次通过进气集流管道11、进气配流管道12、排气集流管道13和排气配流管道14，最后从主排气管道16的出气孔排出。

[0035] 电池覆盖区包括一个连续结构区19和设置于连续结构区19两侧的离散结构区18；

[0036] 当采用甲烷用作燃料时，两端的离散结构区18可用作甲烷的重整反应区，填充甲烷重整反应所需的催化剂：例如Ni屑、Ni球等，甲烷在此区域发生重整反应。根据流道设计，在甲烷入口端正上方对应位置和正下方对应位置均为气体的出口端，从出口端的热气体传递来的热量可以满足甲烷重整所需吸收的热量。因而即避免了重整反应引起的局部过冷产生的热应力，又降低了出口端气体的温度，提高密封件2的气密性和寿命，而且提高了废热利用率。

[0037] 当采用氢气用作燃料时，两端的离散结构区18可用作热交换功能区，利用相邻上下两层流道出口端气体的热量加热中间一层刚开始参加反应的新鲜气体，避免了出口端温度过高，使温度分布均匀，保护了密封件2，同时达到余热回收，提高电堆效率的目的。

[0038] 而整个电池电堆也可以分为电池覆盖区和设置于电池覆盖区四周的热交换 区17。

[0039] 由于电堆中每相邻两个单电池4的燃料气体的流向相反，所以一个单电池4燃料出口端的正上方对应位置就是相邻单电池4燃料气体的入口端，可以利用入口端的冷气体降低出口端的热气体温度；又由于电堆中每相邻两个单电池4的氧化气体的流向相反，所以一个单电池4氧化气体出口端的正上方对应位置就是相邻单电池4氧化气体的入口端，可以利用入口端的冷气体降低出口端的热气体温度。最终可使得密封件2远离电池堆中的高温区，提高密封件2的气密性和寿命。

[0040] 基座上同一边角处相邻两个孔中，一个为主进气管道9的进气孔另一个为主排气管道16的出气孔，在本实施例中，燃料和空气的主进气管道9和主排气管道16既可以一电堆的对角线分布与电堆的两侧也可以在电堆的同一侧。电堆中同一单电池4的燃料气体的流向和氧化气体的流向平行、可以采用并流设计或逆流设计。

[0041] 单电池4的阳极与连接体5之间设有网状导电金属条，单电池4的阴极与连接体5之间依次设有接触层和网状导电金属条。同时在电堆顶部还可以设置绝静负载，以促进电极与集流件的接触。

[0042] 燃料管道和空气管道中的气体在整个电堆中的流动可分为以下几个阶段，[0043] 第一阶段如图3所示，燃料管道或空气管道中的气体从主进气管道9进入电堆，随着向上流动，气体依次被分配到各层的连接体5中的冷流体流道10中进行热交换，气体从冷流体流道10中出来后汇入进气集流管道11，完成热交换过程。

[0044] 第二阶段如图4所示，完成热交换的气体将180°转向沿着进气配流管道12向上依次分配到各层连接体5中。

[0045] 气体在连接体5中流动过程如图5所示，气体从电池覆盖区一侧的离散结构区18流经连续结构区19，然后从另一侧的离散结构区18流出连接体5。

[0046] 第三阶段如图6所示，从连接体5中出来的气体汇入排气集流管中，再从排气集流管道13中排出，排出后的气体再次180°转向，沿排气配流管道14流动。

[0047] 第四阶段如图7所示，沿着排气配流管道14流动的气体被依次分配到各层的连接体5中的热流体流道15流道中完成热交换，最后汇入主排气管道16排出电堆。

[0048] 至此，即可完成一道流体的流动全过程。燃料或空气还可从其他主进气管道9 进入管路以完成流动的全过程，四道流体的流动过程类似且流动方向可按流程具体设计进行配置。