CN108110300A - 固体氧化物燃料电池电堆及为其分配气体的气流分配板 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种SOFC电堆，包括用于为SOFC电堆分配气体的气流分配板，所述气流分配板采用双错流(double cross‑flow)的方式引入燃料，对燃料燃气进行分配，能让气流在电堆中分布更均匀，可使燃料与SOFC单电池片反应更充分，产生更多的电能，在相同电池活化区面积的前提下，与传统的气流分配方式相比，可降低电堆热梯度，提高电堆的电效率。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种用于为固体氧化物燃料电池(SolidOxide Fuel Cell,SOFC)电堆分配气体的气流分配板以及一种固体氧化物燃料电池电堆。
背景技术
SOFC电堆是一种非常具有前途的采用电化学反应发电的发电装置，无卡诺循环，高效率，同时其产物为二氧化碳和水，是一种低排放的绿色能源发电方式。
传统的SOFC电堆的气流分配方式是采用同流或错流气流分配方式，其中采用同流的气流分配方式，SOFC单电池区域热梯度虽然较小，但无法实现电堆的高效率运行，而采用错流的气流分配方式，具有较好的电效率，但会使SOFC单电池区域热梯度较大，从而影响电堆可靠性。
发明内容
基于此，有必要针对采用传统的气流分配方式无法同时满足电堆热梯度小，高效率运行的问题，提供一种用于为固体氧化物燃料电池电堆分配气体的气流分配板。
一种用于为固体氧化物燃料电池电堆分配气体的气流分配板，所述气流分配板开设：
第一燃料进口，用于引入燃料；
第一燃料分布通道，与所述第一燃料进口连接，位于与SOFC单电池片的阳极接触的所述气流分配板的第一侧面，用于将燃料引入所述SOFC单电池片的阳极；
第一燃料出口，与所述第一燃料分布通道连接，用于排出燃料尾气；
第二燃料进口，用于引入燃料；
第二燃料分布通道，与所述第二燃料进口连接，位于所述气流分配板的第一侧面，用于将燃料引入所述SOFC单电池片的阳极；
第二燃料出口，与所述第二燃料分布通道连接，用于排出燃料尾气；
其中，所述第二燃料出口与所述第一燃料进口位于所述气流分配板的第一侧区域，所述第二燃料进口与所述第一燃料出口位于与所述第一侧区域相对的所述气流分配板的第二侧区域；
基于所述气流分配板，按照如下双错流分配方式分配燃料：令燃料从所述第一燃料进口进入、通过所述第一燃料分布通道引入所述SOFC单电池片的阳极，最后从所述第一燃料出口排出，形成第一燃气气流，并令燃料从所述第二燃料进口进入、通过所述第二燃料分布通道引入所述SOFC单电池片的阳极，最后从所述第二燃料出口排出，形成第二燃气气流；所述第一燃气气流的流向与所述第二燃气气流的流向是相反的。
上述用于为固体氧化物燃料电池电堆分配气体的气流分配板，能够引入两路燃气气流流向相反的燃料，形成双错流(double cross-flow)燃气气流以对对燃料进行分配，为SOFC单电池片的阳极提供燃料，能让气流在电堆中分布更均匀，可使燃料与SOFC单电池片反应更充分，产生更多的电能，在相同电池活化区面积的前提下，与传统的气流分配方式相比，可降低电堆热梯度，提高电堆的电效率。
一个实施例中，所述第一燃料进口、第一燃料出口、第二燃料进口、第二燃料出口、第一燃料分布通道以及第二燃料分布通道可分别为两个以上；
各第一燃料进口和各第二燃料出口在所述气流分配板的第一侧区域上按照“第一燃料进口、第二燃料出口、第一燃料进口、第二燃料出口、第一燃料进口······”的方式间隔排列；各第一燃料出口、各第二燃料进口在所述气流分配板的第二侧区域上对应按照“第一燃料出口、第二燃料进口、第一燃料出口、第二燃料进口、第一燃料出口······”的方式间隔排列，各条第一燃料分布通道与各条第二燃料分布通道在所述第一侧面上对应按照“第一燃料分布通道、第二燃料分布通道、第一燃料分布通道、第二燃料分布通道、第一燃料分布通道······”的方式间隔排列的，各条第一燃料分布通道平行，各条第二燃料分布通道平行。
一个实施例中，所述气流分配板还开设：
空气进口，位于所述气流分配板的第三侧区域，用于引入空气；
空气分布通道，与所述空气进口连接，位于所述气流分配板的第一侧面相对的第二侧面上，用于将空气引入与所述第二侧面相邻的SOFC单电池片的阴极；
空气出口，与所述空气分布通道连接，位于所述SOFC单电池片的阴极第三侧区域相对的第四侧区域，用于排出空气尾气；
所述气流分配板按照如下气流分配方式分配空气，令空气从空气进口进入，通过空气分配通道引入SOFC单电池片的阴极，最后从所述空气出口排出，形成空气气流，所述空气气流的流向分别与所述第一燃气气流的流向、所述第二燃气气流的流向垂直。
一个实施例中，所述空气进口的大小、所述第一燃料进口以及第二燃料进口根据所述固体氧化物燃料电池电堆的输出功率可调。
还提供一种固体氧化物燃料电池电堆，包括SOFC单电池片以及如上任一实施例所述的用于为固体氧化物燃料电池电堆分配气体的气流分配板；
所述SOFC单电池片为两块以上，所述气流分配板分别与SOFC单电池片的阳极、SOFC单电池片的阴极接触。
一个实施例中，所述固体氧化物燃料电池电堆还包括电堆顶板和电堆底板；
电堆顶板、SOFC单电池片、气流分配板以及电堆底板按照“电堆底板、SOFC单电池片、气流分配板、SOFC单电池片、气流分配板、SOFC单电池片······SOFC单电池片、电堆顶板”的方式堆叠形成所述固体氧化物燃料电池电堆。
一个实施例中，各SOFC单电池片的结构自下而上为阳极、电解质、阴极，所述电堆底板的上表面开设第一燃料分布通道以及第二燃料分布通道，电堆顶板下表面开设空气分布通道。
一个实施例中，所述电堆底板开设第一燃料进口、第二燃料进口、第一燃料出口、第二燃料出口、空气进口以及空气出口。
附图说明
图1为一个实施例中的气流分配板的示意性剖面结构图；
图2为一个实施例中的气流分配板的示意性立体结构图；
图3为另一个实施例中的气流分配板的示意性立体结构图；
图4为一个实施例中的多个气流分配板的气流流向示意图。
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。
本发明提出了一种新的用于为SOFC电堆分配气体的气流分配板以及新的用于为SOFC电堆分配气流的气流分配方式，可以用于平板式SOFC电堆，气流分配板可以是SOFC电堆的内置式气流分配板。一个实施例中，该气流分配板开设第一燃料进口、第一燃料出口、第二燃料进口以及第二燃料出口，第一燃料进口用于引入燃料；第一燃料分布通道开设在与SOFC单电池片的阳极接触的气流分配板的第一侧面，并与第一燃料进口连接，用于将燃料引入与第一侧面相邻的SOFC单电池片的阳极，气体分配板与SOFC电池是接触的，因而气流分配板中燃料分布通道中的燃气才能进入到SOFC电池的阳极；第一燃料出口与第一燃料分布通道连接，用于排出燃料尾气；第二燃料进口用于引入燃料；第二燃料分布通道，开设在气流分配板的第一侧面，与第二燃料进口连接，用于将燃料引入与SOFC单电池片的阳极，以进行化学反应；第二燃料出口与第二燃料分布通道连接，用于排出燃料尾气。
其中，请参阅图1，图1是一个具体实施例中的气流分配板的剖面图，图1中，第二燃料出口13与第一燃料进口10开设在气流分配板的第一侧区域，可为图1中的下侧区域，其中，第一燃料进口10具体可以开设在图1的气流分配板的左下侧区域，第二燃料出口13具体可以开设在图1的气流分配板的右下侧区域，第二燃料进口12与第一燃料出口11开设在与第一侧区域相对的气流分配板的第二侧区域，可为图1中的上侧区域，其中，第二燃料进口12具体可以开设在图1中的气流分配板的右上侧区域，第一燃料出口11具体可以开设在图1中的气流分配板的左上侧区域。第一燃料进口、第一燃料出口、第二燃料进口、第二燃料出口的大小可以相同。
图2是一个具体实施例中的气流分配板的示意性立体结构图。图2示出了气流分配板上开设的第一燃气分布通道14与第二燃气分布通道15，第一燃气分布通道14与第二燃气分布通道15相互平行，图2中的第一燃料分布通道14和第二燃料分布通道15开设在图2箭头示意性示出的位置，未具体绘出。图2开设有第一燃气分布通道14与第二燃气分布通道15的侧面是与SOFC单电池片接触的侧面。
基于上述气流分配板，按照如下双错流分配方式分配燃料：燃料从第一燃料进口进入、通过第一燃料分布通道引入与气流分配板侧面相邻的SOFC单电池片的阳极，最后从第一燃料出口排出，形成第一燃气气流，燃料从第二燃料进口进入、通过第二燃料分布通道引入与气流分配板侧面相邻的SOFC单电池片的阳极，最后从第二燃料出口排出，形成第二燃气气流；第一燃气气流的流向与第二燃气气流的流向是相反的，第一燃气气流的流线与第二燃气气流的流线是相互平行的。
此外，此外，SOFC电堆产生电能的原理是在阴极(空气极)中，供给的空气中的氧气催化裂解成氧离子，氧离子在电化学势差作用下通过离子导通的电解质层到达阳极侧与氢气发生反应，生成水和二氧化碳，对外放出电流。因此，进一步地，气流分配板还包括：空气进口、空气出口以及空气分布通道，如图1所示，图1是一个具体实施例中的气流分配板的剖面图，空气进口16开设在气流分配板的第三侧区域，具体可以是图1中的气流分配板的左中侧区域，用于引入空气，空气出口17开设在SOFC单电池片的阴极第三侧区域相对的第四侧区域，具体可以是图1中的气流分配板的右中侧区域，用于排出空气尾气。空气进口16的大小与空气出口17的大小可以相同。图3是一个具体实施例中的气流分配板的示意性立体结构图，图3中，空气分布通道18分别与空气进口16、以及空气出口17连接，开设在气流分配板的第一侧面相对的第二侧面上，即与SOFC单电池片的阴极接触的侧面，用于将空气引入与第二侧面相邻的SOFC单电池片的阴极，以进行化学反应，SOFC单电池片的阴极是多孔结构，是空气中的氧气催化裂解的场所。空气分布通道18开设在图3箭头示意性示出的位置，未具体绘出，因为第一燃料分布通道和第二燃料分布通道在第二侧面相对的第一侧面，故图3未示出。
气流分配板按照如下分配方式分配空气，令空气从空气进口进入，通过空气分配通道引入SOFC单电池片的阴极，最后从空气出口排出，形成空气气流，空气气流的流向分别与第一燃气气流的流向、第二燃气气流的流向垂直。空气气流的流线分别与第一燃气气流的流线、第二燃气气流的流线垂直。
一个实施例中，空气进口的大小、第一燃料进口以及第二燃料进口根据所述固体氧化物燃料电池电堆的输出功率可调。其他实施例中，如图1所示，空气进口的大小大于第一燃料进口以及第二燃料进口的大小，空气出口的大小大于燃料出口以及第二燃料出口的大小。
本发明的上述用于为SOFC电堆分配气体的气流分配板，能够引入两路燃气气流流向相反的燃料，形成双错流(double cross-flow)燃气气流以对对燃料燃气进行分配，为SOFC单电池片的阳极提供燃料，能让气流在电堆中分布更均匀，可使燃料与SOFC单电池片反应更充分，产生更多的电能，在相同电池活化区面积的前提下，与传统的气流分配方式相比，可降低电堆热梯度，提高电堆的电效率。
本发明还提出一种固体氧化物燃料电池电堆。
一个实施例中，一种固体氧化物燃料电池电堆，包括SOFC单电池片以及如上任一实施例中的用于为固体氧化物燃料电池电堆分配气体的气流分配板；所述SOFC单电池片为两块以上，所述气流分配板分别与SOFC单电池片的阳极、SOFC单电池片的阴极接触。所述气流分配板夹在相邻的SOFC单电池片之间。SOFC单电池片可为采用阳极支撑、阴极支撑或电解质支撑的SOFC单电池片。各个SOFC单电池片包括阳极、电解质以及阴极；其中，电解质位于阳极与阴极的中间，阳极位于电解质的第一侧，阴极位于电解质的第一侧的对侧。
在其中一个实施例中，固体氧化物燃料电池电堆还包括电堆顶板和电堆底板；电堆顶板、SOFC单电池片、气流分配板以及电堆底板按照“电堆底板、SOFC单电池片、气流分配板、SOFC单电池片、气流分配板、SOFC单电池片······SOFC单电池片、电堆顶板”的方式堆叠形成所述固体氧化物燃料电池电堆。电堆顶板以及电堆底板的结构可以跟气流分配板相同，也可以不相同。
电堆底板开设第一燃料进口、第二燃料进口、第一燃料出口、第二燃料出口、空气进口以及空气出口。在其中一个实施例中，当各SOFC单电池片的结构自下而上为阳极、电解质、阴极时，所述电堆底板的上表面开设第一燃料分布通道以及第二燃料分布通道，以便与SOFC单电池片的阳极接触，为阳极供应燃料，电堆底板下表面开设燃气进、出口和空气进、出口，电堆顶板只有下表面接触SOFC单电池片的阴极，故电堆顶板仅需开设在下表面开设空气分布通道。电堆顶板开设第一燃料进口、第二燃料进口、第一燃料出口、第二燃料出口。
图4为一个具体实施例中的三块气流分配板的气流分配示意图，图4中省略了气流分配板间的SOFC单电池片，如图4所示，各个气流分配板的第一燃料进口的位置是相同的，各个气流分配板的第一燃料出口的位置是相同的，各个气流分配板的第二燃料进口的位置是相同的并且是对准的，各个气流分配板的第二燃料出口的位置是相同的，各个气流分配板的空气进口的位置是相同的，各个气流分配板的空气出口的位置是相同的，所有的气流分配板在布设时令第一燃料进口对准、第二燃料进口对准的、第一燃料出口对准、第二燃料出口对准，这样在接入外设燃料管道时，比较便利，减小了硬件建设难度。各个气流分配板的燃气气流流向、流线是一致的，图4中各块气流分配板是长方形的，宽度方向的气流方向指位于气流分配板上第一侧面的第一燃料分布通道、第二燃料分布通道的燃气气流方向，长度方向的气流方向指位于气流分配板第二侧面的空气分布通道的空气气流分布方向。
在一个实施例中，各气流分配板的第一燃料进口、第一燃料出口、第二燃料进口、第二燃料出口、第一燃料分布通道以及第二燃料分布通道可分别为两条以上。第一燃料进口和第二燃料出口在气流分配板上按照“第一燃料进口、第二燃料出口、第一燃料进口、第二燃料出口、第一燃料进口······”的方式间隔排列，第一燃料出口、第二燃料进口气流分配板上按照“第一燃料出口、第二燃料进口、第一燃料出口、第二燃料进口、第一燃料出口······”的方式间隔排列，对应地，各条用于连接第一燃料进口以及第一燃料出口的第一燃料分布通道与各条用于连接第二燃料进口以及第二燃料出口的第二燃料分布通道是按照“第一燃料分布通道、第二燃料分布通道、第一燃料分布通道、第二燃料分布通道、第一燃料分布通道······”的方式间隔排列的，各条第一燃料分布通道可以是平行开设在气流分配板上，为与气流分配板相邻的SOFC电池的阳极提供燃料。
在一个实施例中，气流分配板还开设第三燃料进口、第三燃料出口、连接第三燃料进口、第三燃料出口的第三燃料分布通道，第四燃料进口、第四燃料出口以及连接第四燃料进口、第四燃料出口的第四燃料分布通道；
气流分配板的第三燃料进口用于引入相邻的气流分配板的第二燃料出口的燃料废气，作为燃料，通过第三燃料分布通道将燃料引入对应的SOFC单电池片的阳极；气流分配板的第四燃料进口用于引入相邻的气流分配板的第一燃料出口的燃料废气，作为燃料，通过第四燃料分布通道将燃料引入对应的SOFC单电池片的阳极；第三燃料分布通道与第一燃料通道的气流方向相同，第四燃料分布通道与第二燃料通道的气流方向相同。
本实施例，燃料气经过一次电化学反应不一定能反应完全，经过再次利用，可以提高电堆燃料利用率。
发明人对本发明的气流分配板的气流分配方式与传统的集中气流分配方式(Cross-flow气流分配方式、Co-flow气流分配方式)进行了测试比较，表1和表2是测试数据对比表格。
表1
表1为对于正方形SOFC电池，采用不同气流分配方式、不同电池活化区域长度的电堆热梯度数据。
表2
表2为对于正方形SOFC电池，采用不同气流分配方式、不同电池活化区域长度的电堆电效率(化学能转换为电能的转换效率)数据。
由表1、表2数据可知，对于正方形SOFC电池，采用双错流气流(double cross-flow)分配方式的电堆设计方案，与传统的集中气流分配方式相比，对于相同电池活化区域长度，电池区域温差热梯度较小，且电效率更高。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能组合都进行描述，然而只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施例，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (8)
1.一种用于为固体氧化物燃料电池电堆分配气体的气流分配板，其特征在于，所述气流分配板开设：
第一燃料进口，用于引入燃料；
第一燃料分布通道，与所述第一燃料进口连接，位于与SOFC单电池片的阳极接触的所述气流分配板的第一侧面，用于将燃料引入所述SOFC单电池片的阳极；
第一燃料出口，与所述第一燃料分布通道连接，用于排出燃料尾气；
第二燃料进口，用于引入燃料；
第二燃料分布通道，与所述第二燃料进口连接，位于所述气流分配板的第一侧面，用于将燃料引入所述SOFC单电池片的阳极；
第二燃料出口，与所述第二燃料分布通道连接，用于排出燃料尾气；
其中，所述第二燃料出口与所述第一燃料进口位于所述气流分配板的第一侧区域，所述第二燃料进口与所述第一燃料出口位于与所述第一侧区域相对的所述气流分配板的第二侧区域；
基于所述气流分配板，按照如下双错流分配方式分配燃料：令燃料从所述第一燃料进口进入、通过所述第一燃料分布通道引入所述SOFC单电池片的阳极，最后从所述第一燃料出口排出，形成第一燃气气流，并令燃料从所述第二燃料进口进入、通过所述第二燃料分布通道引入所述SOFC单电池片的阳极，最后从所述第二燃料出口排出，形成第二燃气气流；所述第一燃气气流的流向与所述第二燃气气流的流向是相反的。
2.根据权利要求1所述的用于为固体氧化物燃料电池电堆分配气体的气流分配板，其特征在于，所述第一燃料进口、第一燃料出口、第二燃料进口、第二燃料出口、第一燃料分布通道以及第二燃料分布通道可分别为两个以上；
各第一燃料进口和各第二燃料出口在所述气流分配板的第一侧区域上按照“第一燃料进口、第二燃料出口、第一燃料进口、第二燃料出口、第一燃料进口······”的方式间隔排列；各第一燃料出口、各第二燃料进口在所述气流分配板的第二侧区域上对应按照“第一燃料出口、第二燃料进口、第一燃料出口、第二燃料进口、第一燃料出口······”的方式间隔排列，各条第一燃料分布通道与各条第二燃料分布通道在所述第一侧面上对应按照“第一燃料分布通道、第二燃料分布通道、第一燃料分布通道、第二燃料分布通道、第一燃料分布通道······”的方式间隔排列的，各条第一燃料分布通道平行，各条第二燃料分布通道平行。
3.根据权利要求1或2所述的用于为固体氧化物燃料电池电堆分配气体的气流分配板，其特征在于，所述气流分配板还开设：
空气进口，位于所述气流分配板的第三侧区域，用于引入空气；
空气分布通道，与所述空气进口连接，位于所述气流分配板的第一侧面相对的第二侧面上，用于将空气引入与所述第二侧面相邻的SOFC单电池片的阴极；
空气出口，与所述空气分布通道连接，位于所述SOFC单电池片的阴极第三侧区域相对的第四侧区域，用于排出空气尾气；
所述气流分配板按照如下气流分配方式分配空气，令空气从空气进口进入，通过空气分配通道引入SOFC单电池片的阴极，最后从所述空气出口排出，形成空气气流，所述空气气流的流向分别与所述第一燃气气流的流向、所述第二燃气气流的流向垂直。
4.根据权利要求3所述的用于为固体氧化物燃料电池电堆分配气体的气流分配板，其特征在于，所述空气进口的大小、所述第一燃料进口以及第二燃料进口根据所述固体氧化物燃料电池电堆的输出功率可调。
5.一种固体氧化物燃料电池电堆，其特征在于，包括SOFC单电池片以及如权利要求1-4任一项所述的用于为固体氧化物燃料电池电堆分配气体的气流分配板；
所述SOFC单电池片为两块以上，所述气流分配板分别与SOFC单电池片的阳极、SOFC单电池片的阴极接触。
6.根据权利要求5所述的固体氧化物燃料电池电堆，其特征在于，还包括电堆顶板和电堆底板；
电堆顶板、SOFC单电池片、气流分配板以及电堆底板按照“电堆底板、SOFC单电池片、气流分配板、SOFC单电池片、气流分配板、SOFC单电池片······SOFC单电池片、电堆顶板”的方式堆叠形成所述固体氧化物燃料电池电堆。
7.根据权利要求6所述的固体氧化物燃料电池电堆，其特征在于，
各SOFC单电池片的结构自下而上为阳极、电解质、阴极，所述电堆底板的上表面开设第一燃料分布通道以及第二燃料分布通道，所述电堆底板底部开设燃气进、出气口和空气进、出气口，电堆顶板下表面开设空气分布通道。
8.根据权利要求6或7所述的固体氧化物燃料电池电堆，其特征在于，
所述电堆底板开设第一燃料进口、第二燃料进口、第一燃料出口、第二燃料出口、空气进口以及空气出口。
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