CN104916860B - 一种基于外气流腔固体氧化物燃料电池的电堆组串联装置 - Google Patents
一种基于外气流腔固体氧化物燃料电池的电堆组串联装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及电池技术领域，尤其是一种基于外气流腔固体氧化物燃料电池的电堆组串联装置，包括四个相同的电堆，四个电堆串联形成电堆组，电堆组采用外流腔设计，每个电堆上端设有气体进口缓冲腔体，四个电堆中间设有供气主管道，供气主管道接出四个气体进口分管道，四个电堆下部设有四个气体出口分管道，四个气体出口分管道连接到底部环形出口气体缓冲腔室，电堆的功率为500W～2500W。本发明对SOFC电堆的组成结构进行再设计，即以小功率电堆模块的方式进行串联，解决气流均匀性、压力平衡、电绝缘性和电堆温度一致性等共性技术问题，从而实现大功率电堆的组装和集成。
Description
技术领域
本发明涉及电池技术领域，尤其是一种基于外气流腔固体氧化物燃料电池的电堆组串联装置。
背景技术
我国能源结构中，化石能源的比例超过80%，而基于燃烧模式的传统发电方式不仅效率低下，而且在燃烧过程中产生大量的粉尘、碳氧化物和氮氧化物，从而带来了巨大的环境压力。因此，在不改变我国现行能源结构的前提下，寻找一种高效环保的化石能源转化方式已成为迫切需求。固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种高效、清洁、安静和可靠的电化学发电装置。随着SOFC发电技术的突破、天然气管线的铺通和大型煤气化技术的解决，对于大规模应用化石能源的电力系统而言，变长距离输电为长距离输气，应用大中小相结合的各种SOFC就近负荷供电供热会更经济、更安全。
近年来，平板式SOFC设计受到了人们越来越多的重视，逐渐成为SOFC技术发展的主流方向。在平板式SOFC电堆中，由于电流流程短，欧姆电阻损失小，所以其具有电流采集均匀，能量密度高的特点。平板式SOFC既适合于小型分散发电（1~10 kW），也在大型固定发电领域展示着广阔的应用前景。平板式SOFC电堆是由单电池在垂直高度方向上串联而成，其中的主要部件有单电池、金属连接体、气体流场、密封件和气体流腔等。在设计中要考虑到燃料气体和空气分别能够均匀传输到多孔阳极和多孔阴极的表面上，并保持良好接触和密封。气体流腔的作用是分别将来源于管道的气体传送到相应的电堆进气面上，并在电堆的出气面上收集流出的气体。通常有电堆结构有内流腔和外流腔之分，内流腔是电堆结构的一部分，通常是由连接体中的开放部分堆垛而形成的腔体；外流腔则是一个独立于电堆堆芯的盖状部件，在外力的作用下，通过密封圈分别固定在电堆的进气面和出气面上。与内流腔相比，外流腔设计有结构简单，密封件少等优点。基于大型固定发电站的应用，一般SOFC电堆总的输出功率要求从100 kW至 MW不等。电堆由单电池串联而成，可以采用具有更大活性反应区面积的单电池，或者更多的单电池进行堆叠以形成大功率的SOFC电堆，前者存在气流场、温度场和电流场不均匀的问题，而后者除上述问题之外，还面临界面电阻增加和高温密封困难的难题。
发明内容
为了克服现有的上述的不足，本发明提供了一种基于外气流腔固体氧化物燃料电池的电堆组串联装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于外气流腔固体氧化物燃料电池的电堆组串联装置，包括四个相同的电堆，其特征是，所述四个电堆串联形成电堆组，所述电堆组采用外流腔设计，所述每个电堆上端设有气体进口缓冲腔体，所述四个电堆中间设有供气主管道，所述供气主管道接出四个气体进口分管道，所述四个电堆下部设有四个气体出口分管道，所述四个气体出口分管道连接到底部环形出口气体缓冲腔室。
根据本发明的另一个实施例，进一步包括电堆的功率为500W～2500W。
本发明的有益效果是，本发明对SOFC电堆的组成结构进行再设计，即以小功率电堆模块的方式进行串联，解决气流均匀性、压力平衡、电绝缘性和电堆温度一致性等共性技术问题，从而实现大功率电堆的组装和集成。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的结构示意图；
图2是外流腔电堆流场的计算机示意图；
图3是SOFC电堆组中具有缓冲腔室的气体出口结构示意图；
图4是两个电堆进口气体流量比较图。
图中1.电堆，2.电堆组，3.气体进口缓冲腔体，4.供气主管道，5.气体进口分管道，6.气体出口分管道，7.环形出口气体缓冲腔室。
具体实施方式
如图1是本发明的结构示意图，一种基于外气流腔固体氧化物燃料电池的电堆组串联装置，包括四个相同的电堆，四个电堆串联形成电堆组，电堆组采用外流腔设计，每个电堆上端设有气体进口缓冲腔体，四个电堆中间设有供气主管道，供气主管道接出四个气体进口分管道，四个电堆下部设有四个气体出口分管道，四个气体出口分管道连接到底部环形出口气体缓冲腔室，电堆的功率为500W～2500W。
说明：气体经过大缓冲腔体（供气主管道4），再通过四个气体进口分管道5进入单个电堆1的气体进口缓冲腔体3，气体均匀分配流过电堆2内部各层，经过四个气体出口分管道6，进入环形出口的气体缓冲腔室7，然后气体通过管道排出。
针对单个电堆模块在功率大小、温度梯度和气流均匀性的限制，本发明提供了一种利用多个小功率模块电堆进行串联，从而形成大功率电堆的集成技术。该技术的应用可以依据用户需要调制SOFC电堆总功率，充分体现了其模块化的特征。这种方法主要适用基于氢气或者碳氢化合物为燃料的固体氧化物燃料电池领域，属于新能源技术的范畴。
用于串联的电堆模块功率为500 W至2500 W之间，电堆类型为外流腔设计，该电堆设计有利于简化金属连接体的加工和降低整个电堆的制造成本。在气流腔的进口上部设有气体缓冲腔以预均匀化气体。在一个优选的实施例中，展示了外流腔电堆流场模拟结果，气体经过缓冲腔的预处理，已使电堆内部流场均匀化。
实现了多个小功率电堆串联为大功率电堆所面临的供气均匀性问题，可以保证所有独立电堆的通气流量基本相同。在一个优选的实施例中，展示了四个独立小电堆组合成一个大功率电堆的示意图。所有的气体先进入一个大的缓冲腔，使气体预均匀化，然后通过四个分管道分别进入外流腔电堆的缓冲腔，从而保证每个分电堆的气体流量基本相同。这种设计同样适用于n个独立电堆组合成更大功率电堆的结构模型。
依据本发明的一个方面，对串联电堆气体出口的压力平衡进行了计算和设计。由于任何两个电堆内部的气体阻力不可能完全相同，因此必然会在空气出的气体汇集点产生压力差和气体耦合，从而严重影响电堆内部的流场分布，进而使不同电堆之间的性能出现差异。在一个优选的实施例中，将两个电堆的空气出口同时进入一个气体缓冲腔，平衡电堆之间的压力差。基于缓冲腔体的气体出口设计，在气体压力计算中，将两个电堆的阻力比假设为1.5，其流量差也仅有10%，这说明缓冲腔体平衡压力的作用。在此基础之上，对带有缓冲腔体的气道结构进行了气体流量的实际测量，显示尽管两个电堆流道之间存在一定的阻力差，但是通过缓冲腔体的作用，可以达到平衡压力和均匀配气的目标。
依据本发明的一个方面，将供气主管道缓冲腔室位于电堆组的中部，然后以支管道方式对电堆组进行气体供给，而出口气体缓冲腔室以环形管道方式位于电堆组的下部，独立电堆的气体出口管道与环形管道相连。环形管道是气体出口的总管道，其管道直径和尺寸依据电堆组的数量和总供气量而定。这种电堆组的设计有利于提高电堆单位体积的能量密度，使电堆组的结构设计更加紧凑。
上述方法既可以单独使用，也可以联合使用。本领域的技术人员可以根据实际需要适当对缓冲室和管道结构进行调整。
以上说明对本发明而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解，在不脱离所附权利要求所限定的精神和范围的情况下，可做出许多修改、变化或等效，但都将落入本发明的保护范围内。
Claims (2)
1.一种基于外气流腔固体氧化物燃料电池的电堆组串联装置，包括四个相同的电堆（1），其特征是，所述四个电堆（1）串联形成电堆组（2），所述电堆组（2）采用外流腔设计，所述每个电堆（1）上端设有气体进口缓冲腔体（3），所述四个电堆（1）中间设有供气主管道（4），所述供气主管道（4）接出四个气体进口分管道（5），所述四个电堆（1）下部设有四个气体出口分管道（6），所述四个气体出口分管道（6）连接到底部环形出口气体缓冲腔室（7）。
2.根据权利要求1所述的一种基于外气流腔固体氧化物燃料电池的电堆组串联装置，其特征是，所述电堆（1）的功率为500W～2500W。
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