CN108134124B - 一种平板型固体氧化物燃料电池连接件及电池堆 - Google Patents

一种平板型固体氧化物燃料电池连接件及电池堆 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种平板型固体氧化物燃料电池连接件及电池堆，该连接件包括方形连接板，在连接板上部靠近进气口处设有挡流板，在连接板两侧靠近侧边缘处均匀间隔设有若干个气流分配器，气流分配器垂直设于挡流板和连接板下边缘之间，在连接板上均匀间隔设有两组与挡流板平行的平行肋，平行肋位于连接板两侧的气流分配器之间；上边缘与挡流板之间设有气体入口流道，侧边缘与气流分配器之间设有两侧气体流道，相邻的两条平行肋之间设有反应区气体通道，两组平行肋之间设有气体回流流道，出气口与气体回流流道连通。通过增设挡流板和气流分配器，增强了固体氧化物燃料电池内气流分布的均匀性，提高了电池的整体性能和热‑机械稳定性。

Description

一种平板型固体氧化物燃料电池连接件及电池堆
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种平板型固体氧化物燃料电池连接件及电池堆。
背景技术
固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，简称SOFC)是一种能够将燃料中的化学能通过电化学反应直接转化为电能的高效、清洁的新型发电装置。相比其它类型的燃料电池，SOFC具有燃料使用范围广、实际效率高等优点，在大规模固定式发电、分布式能源系统等方面具有很大的发展潜力。
SOFC单电池的输出电压约为1V，为了使得SOFC具有实际应用可能，需要将若干个单电池以各种方式(串联、并联、混联)组装成电池堆。SOFC电池堆的结构主要为：管状、平板型两种，其中平板型SOFC电池堆因功率密度高和制作成本低而成为SOFC的发展趋势。
现有的平板型固体氧化物燃料电池连接件结构如图1所示，主要包括：进气口1-1、出气口1-2、平行肋1-3以及气体通道1-4。其中，平行肋的作用是：一方面，分割整个流场，形成气体通道；另一方面，通过平行肋的顶端，从SOFC的多孔电极收集电流。气体在连接件内流动的基本过程为：反应气体从进气口进入，流经气体通道并发生电化学反应，之后由出气口流出。
然而，这种结构下气流分布的均匀性较差，导致电池的整体性能以及热-机械稳定性较差。
发明内容
本发明的目的是提供一种平板型固体氧化物燃料电池连接件，该连接件能增强固体氧化物燃料电池中气流分布的均匀性，提高电池性能和热-机械稳定性。
本发明的另一目的是提供一种包括上述电池连接件的固体氧化物燃料电池堆。
为解决上述目的，本发明采用如下技术方案：一种平板型固体氧化物燃料电池连接件，其包括方形连接板，所述连接板包括上边缘、下边缘以及两侧边缘，在所述连接板顶部设有进气口，在所述连接板底部设有出气口；
在连接板上部靠近所述进气口处设有挡流板，分别在连接板两侧且靠近所述侧边缘处等间隔设有若干个气流分配器，所述气流分配器垂直设于所述挡流板和连接板下边缘之间，在连接板上等间隔设有两列与所述挡流板平行的平行肋，所述平行肋位于连接板两侧的气流分配器之间；
在所述上边缘与所述挡流板之间设有气体入口流道，在所述侧边缘与所述气流分配器之间设有两侧气体流道，在每相邻的两条所述平行肋之间设有反应区气体通道，在两列所述平行肋之间设有气体回流流道，所述出气口与所述气体回流流道连通，所述气体回流流道宽度大于反应区气体通道宽度，所述气流分配器的长度是反应区气体通道宽度的1～10倍。
优选的，所述气流分配器和所述平行肋的截面均为长方形，且在同方向上，气流分配器与平行肋截面高度相等。
优选的，所述进气口和所述出气口均为圆形口。
优选的，所述连接板采用铁素体不锈钢材料制成，具有很好的导电性，导热系数大，膨胀系数小，抗氧化性好，抗应力腐蚀优良。
本发明还提供一种平板型固体氧化物燃料电池堆，包括至少两片固体氧化物燃料电池和布置于相邻两个所述固体氧化物燃料电池之间的电池连接件，所述电池连接件为上述的电池连接件。
本发明的有益效果是：
(1)本发明通过缩短反应区气体通道的长度(接近于1/2连接件长度)，减小了反应区气体通道方向上的浓度差和温度差，从而提高了电池的整体性能和热-机械稳定性；
(2)本发明通过增设挡流板和气流分配器，在挡流板的作用下，气体首先流入两侧气体流道，然后通过气流分配器之间的间隙流入反应区气体通道，从而提高了连接件两侧的气体浓度；另外，通过调控气流分配器之间的间隙大小，可实现不同位置反应区气体通道内的气体分布相同，提高了连接件整体的气流分布均匀性，从而提升了电池性能和电池的热-机械稳定性。
附图说明
图1为现有连接件的结构示意图；
图2为本发明连接件的结构示意图；
图3为现有连接件模拟速度场分布图；
图4为现有连接件模拟物质浓度分布图；
图5为本发明连接件模拟速度场分布图；
图6为本发明连接件模拟物质浓度分布图；
图1中，1-1、进气口，1-2、出气口，1-3、平行肋，1-4、气体通道；
图2中，2-1、进气口，2-2、出气口，2-3、上边缘，2-4、下边缘，2-5、侧边缘，2-6、挡流板，2-7、气流分配器，2-8、平行肋，2-9、气体入口流道，2-10、两侧气体流道，2-11、反应区气体通道，2-12、气体回流流道。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述。
如图2所示，本发明的一种平板型固体氧化物燃料电池连接件，其包括方形连接板，所述连接板采用铁素体不锈钢材料制成，具有很好的导电性，导热系数大，膨胀系数小，抗氧化性好，抗应力腐蚀优良，可应用于温度800-1000℃的工作温度区间内，所述连接板包括上边缘2-3、下边缘2-4以及两侧边缘2-5，在所述连接板顶部设有进气口2-1，在所述连接板底部设有出气口2-2，所述进气口2-1和所述出气口2-2均为圆形口。
在连接板上部靠近所述进气口2-1处设有挡流板2-6，分别在连接板两侧且靠近所述侧边缘2-5处等间隔设有若干个气流分配器2-7，所述气流分配器2-7垂直设于所述挡流板2-6和连接板下边缘2-4之间，在连接板上等间隔设有两列与所述挡流板2-6平行的平行肋2-8，所述平行肋2-8位于连接板两侧的气流分配器2-7之间；所述气流分配器2-7和所述平行肋2-8的截面均为长方形，且在同方向上，气流分配器2-7与平行肋2-8截面高度相等。
连接板上在所述上边缘2-3与所述挡流板2-6之间设有气体入口流道2-9，在所述侧边缘2-5与所述气流分配器2-7之间设有两侧气体流道2-10，在每相邻两条所述平行肋2-8之间设有反应区气体通道2-11，在两列所述平行肋2-8之间设有气体回流流道2-12，所述出气口2-2与所述气体回流流道2-12连通，所述气体回流流道2-12宽度大于反应区气体通道2-11宽度，所述气流分配器2-7的长度是反应区气体通道2-11宽度的1～10倍。
气体在所述连接件内流动的基本过程为：气体由进气口2-1流入后，经气体入口流道2-9流入两侧气体流道2-10；气体在两侧气体流道2-10内，经气流分配器2-7之间的间隙流入反应区气体通道2-11；气体在反应区发生电化学反应后，到达气体回流流道2-12，最后由出气口2-2流出。
本发明还提供一种平板型固体氧化物燃料电池堆，包括至少两片固体氧化物燃料电池和布置于相邻两个所述固体氧化物燃料电池之间的电池连接件，所述电池连接件为上述的电池连接件，其他装置为现有技术。
为了进一步理解本发明的实质，以固体氧化物燃料电池阳极侧为例，采用COMSOL软件建立平板型固体氧化物燃料电池仿真模型模拟电池的性能。模型中包括多孔电极和连接件。多孔电极尺寸为9cm*9cm(即，反应区尺寸)，电极厚度为0.5mm；连接板的尺寸为10cm*10cm，厚度设为1mm；进气口、出气口的半径为2mm；连接板上的肋宽为0.5mm，肋长为40mm，相邻的两条平行肋之间的反应区气体通道宽度为1.5mm，气体回流流道宽度为10mm，气流分配器的长度为10mm。
模型中主要考虑了流体流动、物质扩散、电荷传输以及电极内的电化学反应过程。采用的反应温度为800℃，理想条件下电化学反应界面处的电流密度为0.1A/cm2。进口气体成分为10％的水和90％的氢气，气体入口速度设为5m/s。其中，氢气为反应物。
采用现有连接件结构的模型电池的速度场分布和物质浓度分布分别见图3和图4所示。采用本发明连接件结构的模型电池的速度场分布和物质浓度分布分别见图5和图6所示。
现有结构下，平板内平均气流速度为0.4m/s；本发明结构下，平板内平均气流速度为1.56m/s，大约为现有结构的3.07倍。
现有结构下，反应区的氢气平均浓度为60.2％，本发明结构下，反应区的氢气平均浓度为64.9％，比现有结构高7.8％。氢气浓度越高，越有利于反应，有利于电池性能。在所计算的反应区内，本发明结构所输出的总电量比现有结构提高10.7％。
因为存在电化学反应，所以反应区气体通道越长，反应区气体通道末端的气体浓度越小，电化学反应速度就越低，释放的反应热越少，反应区气体通道入口与出口之间的浓度差和温度差越大，电池性能和电池的热-机械稳定性就越差。相比现有的固体氧化物燃料电池连接件结构，本发明缩短了反应区气体通道的长度(接近于1/2连接件长度)，减小了反应区气体通道方向(即，图2中的水平方向)的浓度差和温度差，提高了电池的整体性能和热-机械稳定性。此外，在本发明中，气体由进气口2-1流入后，在挡流板2-6的作用下，首先流入两侧气体流道2-10，然后通过气流分配器2-7之间的间隙流入反应区气体通道2-11。因此，相比现有的固体氧化物燃料电池连接件结构，本发明提高了连接件两侧的气体浓度，增强了固体氧化物燃料电池内气流分布的均匀性，提高了电池的整体性能和热-机械稳定性。

Claims (5)

1.一种平板型固体氧化物燃料电池连接件，其包括方形连接板，所述连接板包括上边缘(2-3)、下边缘(2-4)以及两侧边缘(2-5)，在所述连接板顶部设有进气口(2-1)，在所述连接板底部设有出气口(2-2)，其特征在于，
在连接板上部靠近所述进气口(2-1)处设有挡流板(2-6)，分别在连接板两侧且靠近所述侧边缘(2-5)处等间隔设有若干个气流分配器(2-7)，所述气流分配器(2-7)垂直设于所述挡流板(2-6)和连接板下边缘(2-4)之间，在连接板上等间隔设有两列与所述挡流板(2-6)平行的平行肋(2-8)，所述平行肋(2-8)位于连接板两侧的气流分配器(2-7)之间；
在所述上边缘(2-3)与所述挡流板(2-6)之间设有气体入口流道(2-9)，在所述侧边缘(2-5)与所述气流分配器(2-7)之间设有两侧气体流道(2-10)，在每相邻的两条所述平行肋(2-8)之间设有反应区气体通道(2-11)，在两列所述平行肋(2-8)之间设有气体回流流道(2-12)，所述出气口(2-2)与所述气体回流流道(2-12)连通，所述气体回流流道(2-12)宽度大于反应区气体通道(2-11)宽度，所述气流分配器(2-7)的长度是反应区气体通道(2-11)宽度的1～10倍。
2.根据权利要求1所述的一种平板型固体氧化物燃料电池连接件，其特征在于，所述气流分配器(2-7)和所述平行肋(2-8)的截面均为长方形，且在同方向上，气流分配器(2-7)与平行肋(2-8)截面高度相等。
3.根据权利要求1所述的一种平板型固体氧化物燃料电池连接件，其特征在于，所述进气口(2-1)和所述出气口(2-2)均为圆形口。
4.根据权利要求1所述的一种平板型固体氧化物燃料电池连接件，其特征在于，所述连接板采用铁素体不锈钢材料制成。
5.一种平板型固体氧化物燃料电池堆，包括至少两片固体氧化物燃料电池和布置于相邻两个所述固体氧化物燃料电池之间的电池连接件，其特征在于，所述电池连接件为权利要求1至4中任一项所述的电池连接件。
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