CN106207241B - 一种固体氧化物燃料电池多堆集成结构 - Google Patents

一种固体氧化物燃料电池多堆集成结构 Download PDF

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Abstract

本发明属于燃料电池领域，并公开了一种固体氧化物燃料电池多堆集成结构，包括配气装置、二级配气缓冲腔、固体氧化物燃料电堆、排气装置和一级排气缓冲腔，所述配气装置包括配气总管和一级配气缓冲腔；每个所述二级配气缓冲腔分别通过二级配气支管组与所述固体氧化物燃料电堆连接；所述固体氧化物燃料电堆连接所述排气装置，所述排气装置的数量为两个，每个所述排气装置均包括二级排气支管、二级排气缓冲腔、一级排气缓冲腔和排气总管。本发明通过两级气体分配和收集结构，使得系统中的每个固体氧化物燃料电堆在气路中都并联于大体相同的位置中，在控制各固体氧化物燃料电堆装配气阻相同或接近的情况下，各个固体氧化物燃料电堆分配到的气体流量和压强的均匀性也可以得到保障。

Description

一种固体氧化物燃料电池多堆集成结构
技术领域
本发明属于燃料电池领域，更具体地，涉及一种固体氧化物燃料电池多堆集成结构。
背景技术
固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种工作在较高温度(600～900℃)的电化学能量转化装置，可以将包括但不限于氢气和碳氢燃料气体的化学能转化为电能，一般由多孔的阳极、致密电解质和多孔阴极构成。单体电池的输出开路电压由电解质两侧的氧化学势梯度决定，一般不超过1.2V，工作电压随着工作电流增加而下降，因此通常将多片电池串联成堆使用。典型的电堆通常包含不多于50片单体电池，具有四个供燃料和空气进出的气体管道接口以及两个用于输出电能的正负极接线柱。单个固体氧化物燃料电堆输出的功率有限，因此大规模固体氧化物燃料电池独立发电系统需要通过串并联的方式，使用多个电堆同时工作，以获取所需的输出功率。一般情况下，独立发电系统中的电堆采用预热的高温燃料和空气加热电堆至接近电堆工作温度，而SOFC的电化学阻抗大小直接受工作温度和气氛影响，因此燃料电池的电性能与电堆工作温度、燃料和空气的供应量直接相关，因此为了保证系统中各个电堆处于相同的工作状态，就必须保证向各个电堆均匀地分配高温燃料和空气。
由于现有技术中缺乏高温气体流量控制器，无法实现对单个电堆气流量的精确控制，因此通常通过调整气体管道和分配歧管实现气体的均匀分配。如专利US20070196704A1公开的设计，通过在中心管道四周均匀环绕布置8组电堆实现对电堆气体的均匀供给。但该专利涉及的SOFC电堆为内气道型电堆，且由于其电堆的特殊设计，需要在陶瓷电池表面开孔，电堆中用于串联电池的金属连接体结构也较为复杂，其制造成本较高。结构和制造较为简单的外流腔型电堆，如专利CN200920085649和CN102723507公开的设计，由于需要对外流腔部件进行固定，因此不能直接适用诸如美国专利US20070196704A1之类的设计。另外，美国专利US20060172176A1和中国专利CN101944627A公开了一类紧凑的固体氧化物燃料电堆模块串联方式，然而这种气路串联的固体氧化物燃料电堆存在这样的问题，上游的固体氧化物燃料电堆在工作时消耗掉了一部分燃料和空气，排出的尾气送入下游固体氧化物燃料电堆，将导致下游电堆的工作气氛和上游电堆不一致，从而使得固体氧化物燃料电堆的电化学性能不一致，对固体氧化物燃料电堆的协同工作不利。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种固体氧化物燃料电池多堆集成结构，适合外流腔式平板型固体氧化物燃料电池固体氧化物燃料电堆编组集成协同运行的装置及其装配方法，可解决现有技术不适用于外流腔式电堆的问题。
为实现上述目的，按照本发明，提供了一种固体氧化物燃料电池多堆集成结构，其特征在于，包括配气装置、二级配气缓冲腔、固体氧化物燃料电堆、排气装置和一级排气缓冲腔，其中，
所述配气装置的数量至少为两组，并且每组所述配气装置均包括配气总管和一级配气缓冲腔，所述配气总管与一级配气缓冲腔连接，所述一级配气缓冲腔上安装有一级配气支管组，所述一级配气支管组包括多根一级配气支管，每根所述一级配气支管上分别连接一个二级配气缓冲腔；此外，其中一组所述配气装置的所述配气总管用于通入燃料气体，另一组所述配气装置的配气总管用于通入氧化性气体；
每个所述二级配气缓冲腔分别通过二级配气支管组与所述固体氧化物燃料电堆连接，所述二级配气支管组具有多根二级配气支管，以用于向所述固体氧化物燃料电堆通往燃料气体和氧化性气体；
所述排气装置的数量至少为两组，每组所述排气装置均包括二级排气支管、二级排气缓冲腔、一级排气缓冲腔和排气总管，其中，所述二级排气支管通过末端排气支管组与所述固体氧化物燃料电堆连接，所述末端排气支管组具有多根末端排气支管，并且所述二级排气支管与所述二级排气缓冲腔连接，所述二级排气缓冲腔通过一级排气运管连接所述一级排气缓冲腔，所述一级排气缓冲腔上连接所述排气总管，其中一组所述排气装置的排气总管用于排出氧化性气体，另一组所述排气装置的排气总管用于排出燃料气体在所述固体氧化物燃料电堆中反应后的反应尾气。
优选地，所述一级配气支管组设置有多组并且它们中心对称分布在所述一级配气缓冲腔的侧壁上。
优选地，每组一级配气支管组上连接的多个二级配气缓冲腔共同形成二级配气缓冲腔组，并且这些二级配气缓冲腔上下设置，每个所述二级配气缓冲腔均呈柱形，每组二级配气缓冲腔组上连接的固体氧化物燃料电堆为多个并且这些固体氧化物燃料电堆中心对称分布在所述二级配气缓冲腔组的周围。
优选地，每根所述一级配气支管上均安装有高温截止阀。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1)本发明通过两级气体分配和收集结构，使得系统中的每个固体氧化物燃料电堆在气路中都并联与大体相同的位置中，每个固体氧化物燃料电堆分配到的气体都和配气总管中的气体成分相同，气体流经管道的长度也大体相同。在控制各固体氧化物燃料电堆装配气阻相同或接近的情况下，各个固体氧化物燃料电堆分配到的气体流量和压强的均匀性也可以得到保障。
2)本发明将挂载在同一根一级配气支管下的固体氧化物燃料电堆集成在一个热区内形成一个固体氧化物燃料电堆，并在一级配气排气支管上配置高温截止阀。当该堆组内的电堆出现故障时，可以通过高温截止阀关断该组电堆，卸载更换或修理，该过程可以不影响其他固体氧化物燃料电堆的正常工作；另外，多个固体氧化物燃料电堆组环绕配气和排气总管分布，从而构成一个具有高功率输出的独立发电系统。
附图说明
图1是本发明去掉一部分固体氧化物燃料电堆后的结构示意图；
图2是本发明的俯视图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
参照图1、图2，一种固体氧化物燃料电池多堆集成结构，包括配气装置、二级配气缓冲腔4、固体氧化物燃料电堆6、排气装置和一级排气缓冲腔11，其中，
所述配气装置的数量至少为两组，每组所述配气装置均包括配气总管1和一级配气缓冲腔2，所述配气总管1与一级配气缓冲腔2连接，所述一级配气缓冲腔2上安装有一级配气支管组，所述一级配气支管组包括多根一级配气支管3，每根所述一级配气支管3上分别连接一个二级配气缓冲腔4；其中一根所述配气总管1用于通入燃料气体，另一根配气总管1用于通入氧化性气体；
每个所述二级配气缓冲腔4分别通过二级配气支管组与所述固体氧化物燃料电堆6连接，所述二级配气支管组具有多根二级配气支管5，以用于向所述固体氧化物燃料电堆6通往燃料气体和氧化性气体；
所述固体氧化物燃料电堆6连接所述排气装置，所述排气装置的数量至少为两组，每组所述排气装置均包括二级排气支管8、二级排气缓冲腔9、一级排气缓冲腔11和排气总管12，其中，所述二级排气支管8通过末端排气支管组与所述固体氧化物燃料电堆6连接，所述末端排气支管组具有多根末端排气支管7，并且所述二级排气支管8与所述二级排气缓冲腔9连接，所述二级排气缓冲腔9通过一级排气支管10连接所述一级排气缓冲腔11，所述一级排气缓冲腔11上连接所述排气总管12，其中一根排气总管12用于排出氧化性气体，另一根排气总管12用于排出燃料气体在所述固体氧化物燃料电堆6中反应后的反应尾气。
进一步，所述一级配气支管组设置有多组并且它们中心对称分布在所述一级配气缓冲腔2的侧壁上，每组一级配气支管组上连接的多个二级配气缓冲腔4共同形成二级配气缓冲腔组，并且这些二级配气缓冲腔4上下设置，每个所述二级配气缓冲腔4均呈柱形，每组二级配气缓冲腔组上连接的固体氧化物燃料电堆6为多个并且这些固体氧化物燃料电堆6中心对称分布在所述二级配气缓冲腔组的周围。另外，每根所述一级配气支管3上均安装有高温截止阀。
本发明的供气总管1将固体氧化物燃料电堆6工作所需的气体送入一级配气缓冲腔2，在缓冲腔中减速后，被均匀输送到与一级配气缓冲腔2相连的一级配气支管3中。一级配气支管3将气体输送到二级配气缓冲腔4中，再通过二级配气支管被均匀地输送到对称环绕在二级配气缓冲腔4周围的固体氧化物燃料电堆6中。固体氧化物燃料电堆6采用平板式固体氧化物燃料电池外流腔式设计，空气和燃料气体以相互交叉的流向从电池阴极和阳极表面流过。图示中的固体氧化物燃料电堆6，空气和燃料气体的入口侧面向二级配气缓冲腔4，则排气出口分布在固体氧化物燃料电堆6外围。固体氧化物燃料电堆6反应后的尾气通过与外流腔相连的末端排气支管7输送到二级排气支管8中。图示中展示了四层结构的固体氧化物燃料电堆6，挂载在同一个二级排气支管中的固体氧化物燃料电堆6通过堆叠的方式实现电路串联。二级排气支管8再将固体氧化物燃料电堆6排出的气体通过二级排气缓冲腔9、一级排气支管10和一级排气缓冲腔11送入排气总管中。由于固体氧化物燃料电堆6的空气气路和燃料气路相互隔离，因此对于四层结构的固体氧化物燃料电堆6，需要四组共八个二级配气缓冲腔4和八个二级排气支管8与固体氧化物燃料电堆6相连。在一级配气支管3和一级排气支管10上配置高温截止阀，则可以实现固体氧化物燃料电堆6工作状态下的子堆组替换维修。
图2示出了一套拥有多个子固体氧化物燃料电堆6的系统俯视图。各子固体氧化物燃料电堆6通过以及一级配气支管对称环绕挂载在总管周围，而子固体氧化物燃料电堆6内，固体氧化物燃料电堆6对称环绕挂载在二级配气/排气缓冲腔周围。如果子固体氧化物燃料电堆6有4层固体氧化物燃料电池，则该系统可以使144个固体氧化物燃料电堆6同时工作。对该系统流场进行有限元分析计算，设定总管供应气体流量为标准状况下5760L/min，计算结果显示，经过系统管道分配，每个固体氧化物燃料电堆6获得的气流量平均为39.94L/min，流量数值分布在39.90～40.00L/min之间，标准差为0.02L/min。计算结果证明，在系统挂载的固体氧化物燃料电堆6气阻特性均匀的情况下，该气路系统可以对各个固体氧化物燃料电堆6提供均匀的气体供应。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种固体氧化物燃料电池多堆集成结构，其特征在于，包括配气装置、二级配气缓冲腔(4)、固体氧化物燃料电堆(6)、排气装置和一级排气缓冲腔(11)，其中，
所述配气装置的数量至少为两组，并且每组所述配气装置均包括配气总管(1)和一级配气缓冲腔(2)，所述配气总管(1)与一级配气缓冲腔(2)连接，所述一级配气缓冲腔(2)上安装有一级配气支管组，所述一级配气支管组包括多根一级配气支管(3)，每根所述一级配气支管(3)上分别连接一个二级配气缓冲腔(4)；此外，其中一组所述配气装置的所述配气总管(1)用于通入燃料气体，另一组所述配气装置的配气总管(1)用于通入氧化性气体；
每个所述二级配气缓冲腔(4)分别通过二级配气支管组与所述固体氧化物燃料电堆(6)连接，所述二级配气支管组具有多根二级配气支管(5)，以用于向所述固体氧化物燃料电堆(6)通往燃料气体和氧化性气体；
所述排气装置的数量至少为两组，每组所述排气装置均包括二级排气支管(8)、二级排气缓冲腔(9)、一级排气缓冲腔(11)和排气总管(12)，其中，所述二级排气支管(8)通过末端排气支管组与所述固体氧化物燃料电堆(6)连接，所述末端排气支管组具有多根末端排气支管(7)，并且所述二级排气支管(8)与所述二级排气缓冲腔(9)连接，所述二级排气缓冲腔(9)通过一级排气支管(10)连接所述一级排气缓冲腔(11)，所述一级排气缓冲腔(11)上连接所述排气总管(12)，其中一组所述排气装置的排气总管(12)用于排出氧化性气体，另一组所述排气装置的排气总管(12)用于排出燃料气体在所述固体氧化物燃料电堆(6)中反应后的反应尾气。
2.根据权利要求1所述的一种固体氧化物燃料电池多堆集成结构，其特征在于，所述一级配气支管组设置有多组并且它们中心对称分布在所述一级配气缓冲腔(2)的侧壁上。
3.根据权利要求1所述的一种固体氧化物燃料电池多堆集成结构，其特征在于，每组一级配气支管组上连接的多个二级配气缓冲腔(4)共同形成二级配气缓冲腔组，并且这些二级配气缓冲腔(4)上下设置，每个所述二级配气缓冲腔(4)均呈柱形，每组二级配气缓冲腔组上连接的固体氧化物燃料电堆(6)为多个并且这些固体氧化物燃料电堆(6)中心对称分布在所述二级配气缓冲腔组的周围。
4.根据权利要求1所述的一种固体氧化物燃料电池多堆集成结构，其特征在于，每根所述一级配气支管(3)上均安装有高温截止阀。
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