CN101459253A - 一种大面积熔融碳酸盐燃料电池 - Google Patents

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Abstract

一种大面积熔融碳酸盐燃料电池，包括加热端板和双极板。加热端板是一面将进入电池堆的气体预热，另一面进行电化学反应的不锈钢半双极板，加热端板分为阳极端板和阴极端板，作为整个电池堆集电极引出并测量电池堆的电流电压值。双极板是一块大面积的不锈钢板，四周均布一定数量的气孔，双极板两侧均被加工成一定形状的气体流道，电极被放置在气体流道上，在气体流过电极表面时产生电能。本发明设计的双极板可应用数控加工或腐蚀方法进行加工，双极板和加热端板一次加工成型，大大缩短了加工时间，通过加工工艺控制可降低双极板的厚度，大大降低了双极板的重量，保证了电池堆运行时的密封要求。

Description

一种大面积熔融碳酸盐燃料电池
技术领域
本发明属于能源技术领域的燃料电池关键技术，具体涉及一种大面积熔融碳酸盐燃料电池。
技术背景
燃料电池是一种将氢和氧的化学能通过电极反应直接转换成电能的装置，其最大特点是反应过程不涉及到燃烧，因此能量转换效率不受“卡诺循环”的限制，效率高达50％～60％，电池反应产物仅为水，没有污染物的排放。因此，燃料电池代表一种与传统能源系统完全不同的全新的能量转换方式，它不仅会以更清洁更持续的方式替代交通运输与电厂系统中广泛应用的电机装置，而且还会逐步进入便携供电系统与其他能源应用领域。
燃料电池具有能量转换效率高、污染小、用水少、占地小等突出优点，因此多年来一直成为替代传统发电厂设备的最佳选择。截至目前，世界上已有200多座磷酸燃料电池电站、50座熔融碳酸盐燃料电池电站和20多座固体氧化物燃料电池示范装置。熔融碳酸盐燃料电池可采用氢气、生物质气、天然气等气体为燃料，不需要贵金属作催化剂，可作为分布式电源和小型电站应用。
电极、电解质、双极板是熔融碳酸盐燃料电池的关键技术，双极板是起分隔氧化气体和燃料气体、集电和导电的作用，并构成气体流动的通道。由于在高温熔融盐腐蚀条件下运行，要求双极板具有抗氧化和还原以及抗电解质腐蚀的作用，并与其它组件之间有较好的热膨胀匹配性能，以防止由于密封不好而导致的燃料泄漏。双极板有效面积的大小是决定单电池乃至电池堆输出功率的关键因素，但是由于双极板面积增大、结构不合理而带来的诸如变形而密封不严等问题严重制约着电池堆功率的放大。
双极板材料通常选用不锈钢和镍基合金钢制成。美国、日本的大功率熔融碳酸盐燃料电池均具有相当大的电极面积，因此对于承担分隔与传输燃料氧化剂、在电池间形成密封任务的双极板面积相应得以增加。因此，熔融碳酸盐燃料电池的双极板必须同时具备高的导电性和平整度，合理的气流分配，而且具有较大的有效电极反应面积，才能实现熔融碳酸盐燃料电池堆功率的放大。
经过对现有技术的文献检索发现，美国专利号为6777126，该专利描述了一种由多层结构叠加而成的双极板，在设计中加入了冷却气体或液体的通路。实际上，在熔融碳酸盐燃料电池双极板设计中，并不需要有专门的冷却通道。中国专利(公开号)CN 1731608 A，描述了一种熔融碳酸盐燃料电池双极板，其制作方法是先加工一个中心板，在板上四周开长方形的小孔，然后加工与中心板同样大小的掩模板，掩模板Y方向开大孔作为放置多孔波纹板的空间。这种加工方法比较繁琐，而且制作掩模板过程中去掉的大孔部分材料不能充分利用，造成材料的浪费，按照该专利工艺加工的双极板厚度也将达到5-7mm，另外该专利中心板四种加工的长方形孔实际上不利于电池堆的密封。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供了一种能够提高双极板的面积，降低双极板的厚度、提高燃料利用率，提高电池堆性能，同时保证电池堆装配时双极板的平整性和密封性的大面积熔融碳酸盐燃料电池。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：包括阳极加热端板，阴极加热端板以及密封在阳极加热端板和阴极加热端板之间的双极板，所说的阳极加热端板的侧面开设有阳极气体入口和阴极废气出口，阳极加热端板上开设有与阳极气体入口相连通的阳极预热槽道；
所说的阴极加热端板的侧面与阴极废气出口相对应的位置开设有阴极气体入口，阴极加热端板上开设有与阴极气体入口相连通的阴极预热槽道，在阴极加热端板的侧面与阳极气体入口相对应的位置开设有阳极废气出口；
所说的双极板的上、下表面分别设置有阳极气体流道和阴极气体流道，阳极气体流道和阴极气体流道上均覆盖有电极材料，且在双极板上位于阳极气体流道和阴极气体流道的两侧还分别开设有与阳极气体流道和阴极气体流道相连通的阳极气孔和阴极气孔，阳极加热端板的阳极预热槽道出口及阴极加热端板的阳极废气出口分别与阳极气体流道两侧的阳极气孔相连通，阴极加热端板的阴极预热槽道及阳极加热端板的阴极废气出口分别与阴极气体流道两侧的阴极气孔相连通，气体在电极与双极板形成的腔体内流动。
本发明的双极板的阳极气体流道的两侧加工有气体盖板凹槽，相应的双极板的阴极流道两侧加工有气体盖板凹槽，凹槽底部加工有突起的支撑结构，凹槽上设置有气体盖板，该气体盖板上开设有与阳极气孔及阴极气孔相对应的通孔。
本发明能够解决熔融碳酸盐燃料电池功率放大和实际应用的电池堆设计技术。相对于美国专利6777126，省略了冷却气体的回路。相对于国内发明专利CN 1731608 A，采用完全不同的设计与加工方法，双极板或加热端板采用一块不锈钢板整体加工，大大增加了双极板的面积，双极板四周采用均布孔分配气体到双极板流道，均布孔上装配气体盖板，保证了电池堆装配时双极板的平整性和密封性。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明的双极板结构示意图；
图3是本发明的气体盖板示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
参见图1，2，3，本发明包括阳极加热端板1，阴极加热端板3以及密封在阳极加热端板1和阴极加热端板3之间的双极板2，阳极加热端板1的侧面开设有阳极气体入口4和阴极废气出口8，阳极加热端板1上开设有与阳极气体入口4相连通的阳极预热槽道7；阳极加热端板1是一块大面积的不锈钢板主要功能是对进入阳极的气体进行预热，阳极气体由阳极气体入口4进入阳极加热端板，经过阳极预热槽道7预热后沿下行进入双极板2的阳极气体流道10在电极表面发生电化学反应，最后阳极废气由阳极废气出口5流出。
阴极加热端板3的侧面与阴极废气出口8相对应的位置开设有阴极气体入口9，阴极加热端板3上开设有与阴极气体入口9相连通的阴极预热槽道，在阴极加热端板3的侧面与阳极气体入口4相对应的位置开设有阳极废气出口5；阴极气体由阴极气体入口9进入阴极加热端板，经过阴极预热槽道预热后下行进入双极板2的阴极气体流道在电极表面发生电化学反应，最后阴极废气由阴极废气出口8流出。
双极板2可用一定厚度的不锈钢板通过成熟的机械加工工艺加工，能够保证加工质量和双极板表面的平整度，一次加工成型，相对冲压焊接工艺加工工艺比较简单，大大降低了生产成本。双极板2的上、下表面分别设置有阳极气体流道10和阴极气体流道，阳极气体流道10和阴极气体流道上均覆盖有电极材料，气体在电极与双极板形成的腔体内流动。且在双极板2上位于阳极气体流道10和阴极气体流道的两侧还分别开设有与阳极气体流道10和阴极气体流道相连通的阳极气孔11和阴极气孔12，阳极加热端板1的阳极预热槽道出口及阴极加热端板3的阳极废气出口分别与阳极气体流道10两侧的阳极气孔11相连通，阴极加热端板3的阴极预热槽道及阳极加热端板1的阴极废气出口8分别与阴极气体流道两侧的阴极气孔相连通，。
在双极板2的阳极气体流道10的两侧加工有气体盖板凹槽13，相应的双极板2的阴极流道两侧加工有气体盖板凹槽，凹槽13底部加工有突起的支撑结构，凹槽13上设置有气体盖板14，气体盖板14的厚度与极凹槽13的深度相同，装配后与双极板2四周平齐保证双极板2与电解质隔膜的密封，突起的支撑结构保证气体从气孔沿盖板下部导入气体流道。该气体盖板14上开设有与阳极气孔11及阴极气孔13相对应的通孔15。
本发明的加热端板在装配时上表面覆盖一层不锈钢薄板，以保证气体进入后不发生泄漏。
制作时，首先应用数控工艺加工加热端板，用数控工艺或化学腐蚀工艺加工双极板，气体盖板采用线切割工艺加工；然后在加热端板预热侧焊接一张不锈钢金属薄板；最后对加热端板、双极板进行回火及整平处理，将加热端板、双极板、气体盖板、电解质隔膜进行装配，就构成了本发明熔融碳酸盐完整的电池堆结构。
本发明在设计上采用对称的方法，设计的加热端板和双极板均为对称结构，装配工艺简单；采用机械加工一次成型，工艺成熟简单，可制造大面积的双极板，通过调整加工工艺，可大大降低双极板的厚度，电池堆的重量大大降低，可实现熔融碳酸盐燃料电池堆功率的放大；设计的气体盖板可通过改变结构来变化气体在电池堆中的流程，提高燃料利用率，大大提高电池堆性能。

Claims (2)

1、一种大面积熔融碳酸盐燃料电池，包括阳极加热端板(1)，阴极加热端板(3)以及密封在阳极加热端板(1)和阴极加热端板(3)之间的双极板(2)，其特征在于：所说的阳极加热端板(1)的侧面开设有阳极气体入口(4)和阴极废气出口(8)，阳极加热端板(1)上开设有与阳极气体入口(4)相连通的阳极预热槽道(7)；
所说的阴极加热端板(3)的侧面与阴极废气出口(8)相对应的位置开设有阴极气体入口(9)，阴极加热端板(3)上开设有与阴极气体入口(9)相连通的阴极预热槽道，在阴极加热端板(3)的侧面与阳极气体入口(4)相对应的位置开设有阳极废气出口(5)；
所说的双极板(2)的上、下表面分别设置有阳极气体流道(10)和阴极气体流道，阳极气体流道(10)和阴极气体流道上均覆盖有电极材料，且在双极板(2)上位于阳极气体流道(10)和阴极气体流道的两侧还分别开设有与阳极气体流道(10)和阴极气体流道相连通的阳极气孔(11)和阴极气孔(12)，阳极加热端板(1)的阳极预热槽道出口及阴极加热端板(3)的阳极废气出口分别与阳极气体流道(10)两侧的阳极气孔(11)相连通，阴极加热端板(3)的阴极预热槽道及阳极加热端板(1)的阴极废气出口(8)分别与阴极气体流道两侧的阴极气孔相连通，气体在电极与双极板形成的腔体内流动。
2、根据权利要求1所述的大面积熔融碳酸盐燃料电池，其特征在于：所说的双极板(2)的阳极气体流道(10)的两侧加工有气体盖板凹槽(13)，相应的双极板(2)的阴极流道两侧加工有气体盖板凹槽，凹槽(13)底部加工有突起的支撑结构，凹槽(13)上设置有气体盖板(14)，该气体盖板(14)上开设有与阳极气孔(11)及阴极气孔(12)相对应的通孔(15)。
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